과기부) 노벨상 수상자가 예측한‘액체 금속의 전자 구조’, 한국 실험 물리학자들이 발견 ...[2022-08-08]

□ 김근수 교수 연구팀은 액체금속을 직접 측정하는 과거의 방식과는 달리, 결정고체 위에 알카리 금속을 분사하여 그 사이에 계면을 관측하는 독특한 방식으로 액체금속의 전자구조를 확인하는 데 성공했다.

 ㅇ 연구팀은 검은인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려주었고,

   - 알카리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비를 이용해 측정한 결과, 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 ‘유사갭*’을 발견하였다.

       * 유사갭(pseudogap) : 물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 경우 양자역학적 효과로 인해 전자는 완전한 에너지 간극을 갖는다. 반면 원자들이 불규칙하게 배열된 경우 전자는 불완전한 에너지 간극을 갖게 되는 데, 1968년 네빌 모트는 이 현상을 ‘유사갭’이라 명명하였다.

   - 결정고체인 검은 인의 전자들이 불규칙하게 분포된 알카리 금속의 원자들에 의해 공명산란* 되어 ‘액체금속의 전자구조’와 같은 특징을 갖는 것이다.

     * 공명 산란(resonance scattering) : 물질 속 전자 파동이 특정 주파수를 가질 때 이종 원자들과 충돌할 확률이 비약적으로 상승하는 현상.

 ○ 물질을 구성하는 원자들이 규칙적으로 배열된 결정 고체의 경우 전자 구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있으나, 원자 배열이 불규칙한 액체나 비정질 고체(유리)와 같은 물질에서는 그 전자 구조를 이론적으로 설명하는 것이 매우 까다롭다.

 ○ 노벨물리학상 수상자인 필립 앤더슨과 네빌 모트 등은 1960년대 각고의 노력 끝에 ‘액체 금속의 전자 구조’를 설명하는 이론 모델을 고안하였지만, 이는 지난 반세기 동안 실험적으로 발견된 적이 없다.

     ※ 필립 앤더슨(Philip W. Anderson) : 미국의 이론 물리학자. 원자 배열이 불규칙한 물질의 전자 구조와 앤더슨 국소화 연구로 1977년 노벨물리학상을 수상했다.

     ※ 네빌 모트(Nevil F. Mott) : 영국의 이론 물리학자. 원자 배열이 불규칙한 물질의 전자 구조와 전자 간 상호작용 연구로 1977년 노벨물리학상을 수상했다.

 

2. 연구내용

 ○ 본 연구에서는 액체 금속을 직접 측정하는 고전적 방식과 달리, 액체 금속과 결정 고체의 계면 전자 구조를 측정하는 방식으로 접근하였다.

 ○ 검은 인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려주었다. 결정 고체에 도핑된 전자들은 불규칙하게 분포된 알카리 금속 원자들에 의해 공명 산란되어 ‘액체 금속의 전자 구조’와 같은 특징을 갖는 것이다.

     ※ 흑린(black phosphorus) : 원자번호 15번 인(P) 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열된 물질. 검은 빛깔을 띠어 흑린이라 부른다. 붉은 빛깔을 띠는 적린(red phosphorus)은 성냥 머리에 사용되며, 흰 빛깔을 띠는 백린(white phosphorus)은 폭약에 활용한다.

     ※ 공명 산란(resonance scattering) : 물질 속 전자 파동이 특정 주파수를 가질 때 이종 원자들과 충돌할 확률이 비약적으로 상승하는 현상.

 ○ 연구팀은 불규칙하게 분포된 알카리 금속으로 도핑된 흑린의 전자 구조를 방사광가속기와 각분해광전자분광 장비를 이용하여 정밀하게 측정한 결과, 1960년대 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자 구조와 ‘유사갭’을 발견한 것이다.

 

 

(그림 1) 액체 금속의 전자 구조가 발견된 결정 고체와 액체금속의 계면.

바닥 부분에 원자들이 규칙적으로 배열된 물질은 결정 고체를 나타내고, 그 위에 불규칙적으로 분포하는 액체 금속은 표면 도핑된 알카리 금속 원자들을 나타낸다.

출처 : 연세대학교 김근수 교수 연구팀

 

2010년경 박사 학위과정이 끝나갈 무렵 액체 금속의 전자 구조에 관심을 가진 적이 있다. 연구실 책장에 ‘액체 금속의 전자 구조’라는 제목의 고서(1960년대 이론)를 몇 권 갖고 있었는데, 이 책들이 최근 실험 결과들과 결합하여 새로운 발견의 계기를 마련해 줄 것이라고는 예상하지 못했다.   2013년 미국 박사후연구원 생활을 마치고 한국으로 돌아온 이후 흑린의 전자 구조라는 한 우물만 파고들었다. 흑린의 표면에 알카리 금속 원자를 도핑할 때 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자 구조와 유사갭(pseudogap)이 나타난다는 실험 결과는 2017년부터 확보하고 있었지만 해석이 어려웠다.   3년 넘게 답을 찾아 헤매던 중 우연한 기회에 꺼내 본 ‘액체 금속의 전자 구조’ 책들에서 실험결과와 유사한 특징이 예측된 바 있다는 사실을 알게 되었고, 알카리 금속 원자의 액체성 또는 무질서 효과에 주목하게 되었다. 스티브 잡스가 말했던 점과 점의 연결과 비슷한 것 같다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

‘편견’을 극복하는 과정이 가장 어려웠다. 한국 소속 기관으로 Nature나 Science와 같은 저명 학술지에 논문을 제출하면 심사 과정에서 의심어린 눈초리를 받는 경우가 허다하다. 기초과학 불모지인 한국에서 이런 성과가 나올 리 없다는 것이다. 이번 논문에 대한 심사 과정에서도 일부 그런 편견을 극복해야 했지만, 오직 논리와 투지로 극복할 수 있었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

고체 물질에 도핑 기술은 이종 원자를 삽입하는 형태로 이루어진다. 이종 원자(도펀트)들은 고체 물질에 전자를 공여하고 이온화되어 고체 속에 남아 있지만, 이 도펀트들이 고체의 전자 구조에 미치는 영향은 보통 무시하였다. 그 이유는 도펀트들이 마치 기체 상태와 같이 완전히 불규칙하게 분포할거라 믿었기 때문이다. 하지만 이온화된 도펀트들 사이의 반발력을 고려하면 (일정 정도 평균 거리를 갖게 되어) 기체 상태 보다는 액체 상태에 가깝게 분포하게 되고, 이는 결정 고체의 전자 구조에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 이번 연구로 깨닫게 된 것이다. 이와 같이 기초 과학의 새로운 발견은 이분법적 통념을 깨는 형태로 나타나는 경우가 많다. 비유하자면, 검정색 아니면 흰색인 줄로만 알았는데, 그 사이에 다양한 회색도 존재함을 깨닫게 되는 것과 같다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 ○ 고체물리학 실험(양자 물질의 전자구조 측정 및 제어)

 

5. 연구지원 정보

 ○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

 ○ 2017 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 집단연구사업(선도연구)

 ○ 2020 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기반구축사업(해외대형)

 ○ 2021 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(리더연구)

 

<류세희, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 연세대학교 물리학과

 ○ 전 화 : 02-2123-7274

 

2. 학력

 ○ 2009 ~ 2013 포항공과대학교 학사 (물리학)

 ○ 2013 ~ 2020 포항공과대학교 박사 (물리학)

 

3. 경력사항

 ○ 2020 ~ 현재 연세대학교 물리학과 박사후연구원

 ○ 2021 ~ 현재 미국 로렌스버클리국립연구소 박사후연구원

 ○ 2019             ICAMD2019 우수포스터발표상

 

4. 전문분야 정보

 ○ 고체물리학 실험(양자 물질의 전자구조 측정 및 제어)

<허민재, 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : 포항공과대학교 물리학과

 ○ 전 화 : 02-2123-7274