한국물리학자들의 반격… 에너지 손실없는 전력 수송 가능성 확인

네이처(Nature)지 게재, 고온초전도 메커니즘 규명에 중요한 단서 제공
노벨상 수상자가 예측한 ‘액체 금속의 전자 구조’ 실험적으로 확인

노벨상 수상자들이 예측했던 물질속 전자 파동의 에너지와 운동량의 상관관계를 통해 에너지 손실없는 전력 수송의 가능성을 제시한 ‘액체 금속의 전자 구조’가 국내 물리학자들을 통해 실험적으로 확인됐다. 고온초전도 메커니즘 규명에 중요한 단서를 제공하게 된 것이다.

과학기술정보통신부(장관 임혜숙)는 김근수 교수(연세대) 연구팀이 노벨물리학상 수상자 필립 앤더슨과 네빌 모트 등이 1960년대 이론 모델로 예측한 ‘액체 금속의 전자 구조’를 실험적으로 확인했다고 밝혔다.

과학기술정보통신부 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터 등)의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 네이처(Nature)에 8월 5일 게재됐다.

배열이 규칙적인 고체금속은 전자구조를 비교적 쉽게 설명할 수 있지만, 수은과 같은 액체금속은 자유자재로 형태를 바꿀 수 있어 그 전자구조를 설명하는 것이 매우 까다롭다. ‘액체 금속의 전자구조’는 노벨물리학상 수상자인 필립엔더슨과 네빌모트가 1960년 이론 모델은 고안했지만, 지난 반세기 동안 실험적으로 발견된 적은 없었다.

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. 연구팀은 검은인(흑린)이라는 결정 고체 표면에 알카리 금속(나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘)을 뿌려주었다. 그리고 알카리 금속으로 도핑된 검은 인의 전자구조를 장비를 이용해 측정한 결과, 1960년 앤더슨과 모트 등이 예측했던 뒤로 휘는 독특한 형태의 전자구조와 ‘유사갭’을 발견하게 된 것.

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(pseudogap)’이라 명명했다.

결정고체인 검은 인의 전자들이 불규칙하게 분포된 알카리 금속의 원자들에 의해 공명산란(resonance scattering : 물질 속 전자 파동이 특정 주파수를 가질 때 이종 원자들과 충돌할 확률이 비약적으로 상승하는 현상)되어 ‘액체금속의 전자구조’와 같은 특징을 갖는 것이다.

이번 연구를 통해 ‘유사갭’을 설명할 수 있게 되면, 응집물리학의 풀리지 않는 난제 중 하나인 고온 초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것이라 기대된다. 만약 고온초전도 현상의 매커니즘을 규명해 상온 초전도 개발에 성공한다면 에너지 손실 없는 전력 수송이 가능해 자기부상열차, 전력수급난 해결, MRI와 같은 의료용 진단기기에도 혁신을 가져올 것이다.

김근수 교수는 “기초 과학 연구 성과는 비록 실용화에 오랜 시간이 걸리지만, 이번 연구 결과는 고온초전도 메커니즘 규명에 중요한 단서를 제공한다.”고 설명하고, “만약 고온초전도 현상의 메커니즘을 규명하여 상온 초전도 개발에 성공한다면, 에너지 손실 없는 전력 수송을 가능케 하여 요즘과 같이 무더운 여름철 전력 수급난을 해결할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 자기 부상 열차와 같이 운송 기술에 혁신을 가져올 수 있고, MRI와 같은 의료용 진단기기에 혁신을 가져올 것이다.”고 말했다.