안녕하세요, 수험피플 여러분! 대입멘토 한수진입니다.
연세대 김근수 교수 연구팀이 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 "암흑 전자"의 존재를 세계 최초로 규명했습니다. 이는 고체 물질의 원자가 특정한 배열을 이루었을 때, 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 처음으로 확인한 것입니다.
- 암흑 상태 전자: 암흑 상태란 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 상태를 말합니다. 이번 연구에서는 이러한 암흑 상태 전자가 고체 물질 속에서도 존재할 수 있음을 밝혀냈습니다.
- 연구 방법: 연구팀은 양자 간섭을 연구하던 중 같은 종류의 원자가 대칭을 이루는 구조에서 암흑 상태 전자가 존재할 가능성을 제시했습니다. 이후 방사광가속기를 이용해 고온초전도체 구리 산화물에서 이러한 전자가 암흑 상태에 있음을 발견했습니다.
- 발견의 중요성: 이 연구는 고온초전도와 같은 현대 물리학의 난제를 해결하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 특히, 고체 물질 내에서 전자의 상쇄간섭으로 인해 암흑 상태 전자가 형성될 수 있다는 점을 밝혀내어 고온초전도 현상을 더 깊이 이해할 수 있는 기반을 마련했습니다.
김근수 교수는 "이 연구가 고체 속 암흑 전자의 존재를 규명한 것은 단순히 보이지 않는 존재를 인식한 것을 넘어, 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 언급했습니다. 연구팀은 이러한 성과를 바탕으로 고온초전도 현상의 비밀을 풀기 위한 추가 연구를 계획하고 있습니다.
아래는 연세대학교 김근수 교수님의 일문일답입니다.
Q1: 연구를 시작한 계기나 배경은?
A1: 빛을 이용하여 고체 물질 속 전자를 측정하면 이론적으론 보여야 하지만 이상하게 보이지 않는 전자가 있다. ‘왜 일부 전자가 보이지 않을까?’라는 질문은 기본적이고 누구나 생각할 수 있지만, 학계의 많은 전문가들도 막연한 답변으로 넘어가는 경우가 많았다. 한편 우리는 2020년에 단위 구조에 같은 종류(원소)의 원자 두 개가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구한 바 있다. 자연스럽게 이를 두 쌍의 경우로 확장하면 어떤 조건에서도 관측할 수 없는 전자가 존재할 것이라는 아이디어를 갖게 되었고, 지난 4년간 이 문제를 파고든 결과 그러한 암흑 전자의 존재를 규명하기에 이른 것이다.
Q2: 연구 전개 과정에 대한 소개
A2: ‘고체 물질 속에도 어떤 조건에서도 관측할 수 없는 전자가 있지 않을까’라는 막연한 아이디어에서 출발했지만 이를 구체화하는 과정은 말처럼 쉬운 것이 아니었다. 연구원들이 4년이란 시간 동안 끈기와 열정으로 한 문제를 깊게 파고든 결과로, 논문의 제1저자인 정윤아 연구원이 암흑 전자를 설명하는 모델을 고안했고, 공동 제1저자인 김민수, 김예린 연구원은 미국과 영국의 첨단 방사광가속기를 활용하여 이 모델에서 예측하는 바를 검증하기 위한 실험을 주도하였다. 연세대, 군산대, 캐나다의 공동연구진은 각각 이번 실험에 사용된 세 가지 종류의 시료를 제작 및 공급하는 역할을 담당하여 글로벌 팀워크로 진행된 연구였다.
Q3: 이번 성과, 무엇이 다른가?
A3: 암흑 상태의 전자는 지금까지 원자나 분자에서 주로 발견되었고, 고체 물질 속 전자의 경우 워낙 복잡 다양한 상태로 존재하기 때문에 암흑 상태가 불가능할 것이라 여겨왔다. 본 연구 성과는 이러한 통념을 깨고 고체 물질 속 전자들도 암흑 상태로 존재할 수 있으며, 고온초전도체를 포함하여 생각보다 우리 주변의 많은 물질에 암흑 상태의 전자가 존재한다는 사실을 밝혀낸 것이다.
Q4: 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
A4: 기초과학은 비록 시간이 오래 걸리지만 우리 삶의 전반에 미치는 파급효과의 범위가 매우 크다. 고온초전도 메커니즘을 정복하면 초전도 임계 온도를 끌어올릴 수 있도록 물질을 설계할 수 있고, 손실 없는 에너지, 뜨거워지지 않는 전자기기(컴퓨터, 휴대폰, 태플릿), 저렴한 운송기술(자기부상 열차), 저렴한 의료용 진단기술(MRI) 등 우리 삶에 혁명적 변화를 가져올 수 있을 것이다.
Q5: 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
A5: 고온초전도의 메커니즘을 규명하는 것이다. 이번 연구의 성과로 생각보다 많은 물질에 지금까지 우리가 놓치고 있던 암흑 상태의 전자고 존재한다는 사실을 알게 되었고, 대표적인 고온초전도 구리산화물에서 이상하게 관측하기 어려웠던 일부 전자들이 바로 암흑 상태에 해당한다는 사실도 밝혀내었다. 이를 바탕으로 암흑 상태의 전자가 고온초전도에 어떤 역할을 하는지 규명함으로써 고온초전도체 메커니즘 정복에 도전하고자 한다. 관련 연구를 진행하고 있으며, 희망적인 초기 결과들이 도출되고 있다.
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