이론상 존재하던 액체금속 전자구조 반세기만에 밝혀냈다

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이론상 존재하던 액체금속 전자구조 반세기만에 밝혀냈다
결정고체에 액체금속 분사해 계면 관측…"고온초전도 현상 이해 도움"

2021.08.06 07:00 연합뉴스

국내 연구진이 이론 모델로만 존재하던 액체 금속의 전자 구조를 실험으로 확인했다.

과학기술정보통신부는 김근수 연세대 교수 연구팀이 결정 고체 위에 알칼리 금속을 분사해 그사이 계면을 관측하는 독특한 방식으로 액체금속의 전자 구조를 확인했다고 5일 밝혔다.

액체 금속의 전자 구조는 노벨물리학상 수상자인 필립 앤더슨이 1967년, 네빌 모트가 1968년 고안한 이론 모델이다. 그러나 50여 년간 실험적으로 액체 금속의 전자 구조를 입증한 연구자는 없었다.

물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 결정 고체는 전자 구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있지만, 원자 배열이 불규칙한 액체나 유리 같은 비정질 고체 등 액체 금속의 전자 구조는 설명하기 어렵기 때문이다.

연구진은 액체 구조만의 전자 구조를 파악하려 하던 다른 연구진과 달리 결정 고체와 액체 금속 간 계면의 전자 구조를 파악하는 방식으로 접근했다.

연구진은 검은 인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 나트륨과 칼륨, 루비듐, 세슘 등 알칼리 금속을 뿌렸고 방사광가속기와 각분해광전자분광 등 빛을 세게 내는 장비를 이용해 측정했다.

그 결과 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 형태의 독특한 전자 구조와 전자의 불완전한 에너지 간극인 ‘유사갭’ 현상을 발견했다.

유사갭은 원자들이 불규칙하게 배열된 경우 전자가 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는 현상을 가리킨다.

연구진은 이번에 발견한 유사갭 현상으로 전기 저항이 0이 되는 고온 초전도 현상의 실마리를 찾을 수 있을 것으로 기대한다.

고온 초전도는 절대온도 0K(영하 273℃)에 가까운 저온에서 나타나는 저온 초전도와 비교해 임계온도가 비교적 높은 100K(영하 173℃) 이상에서 초전도를 보이는 현상이다.

고온 초전도 현상 메커니즘을 규명해 상온 초전도 개발에 성공한다면 에너지 손실 없는 전력 수송이 가능해지고 자기부상열차나 MRI(자기공명영상) 등 의료용 진단기기를 개선하고 전력수급난을 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

김 교수는 “불규칙하게 배열된 이종 원자들과의 충돌 효과로 설명한 유사갭이 고온초전도 현상을 이해하는 데 중요한 단서가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처'(Nature)지에 게재됐다.

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