(왼쪽부터) 정윤아(제1저자), 김민수(제1저자), 김예린(제1저자), 김근수 교수(교신저자) (이미지=연세대학교 산학협력단)

과학기술정보통신부는 연세대학교 김근수 교수 연구팀(김근수, 정윤아, 김민수, 김예린)이 국제 공동연구(미국, 영국, 캐나다)를 통해 세계 최초로 고체 물질 속에서 관측할 수 없는 ‘암흑 상태 전자’의 존재를 규명했다고 밝혔다.

이번 연구 성과인 ‘Dark states of electrons in a quantum system with two pairs of sublattices.’ 논문은 국제학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 7월 29일 게재되었다.

자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 어려운 암흑 상태가 존재한다. 이는 다양한 자연 현상에 영향을 주기 때문에 확인되지 않은 암흑 상태의 존재 규명은 인류가 아직 정복하지 못한 여러 난제 해결의 실마리를 제시할 수 있다.

지금까지 발견된 암흑 상태의 전자는 원자나 분자에 존재하였고, 수많은 연구자는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속의 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다.

김근수 교수 연구팀은 같은 종류의 원자가 한 쌍으로 대칭을 이룰 때 발생하는 양자 간섭을 연구하던 중, 이를 두 쌍으로 확장하면 어떤 조건에서도 관측이 불가능한 암흑 상태의 전자가 존재할 것으로 추측하게 되었다.

이후 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안하였고, 방사광가속기를 활용하여 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀내는 데 성공하였다. 이는 고체 물질 속에서도 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 규명한 세계 최초의 결과이다.

또한 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있음을 밝혔다.

고체 물질의 원자들은 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류의 원자 4개가 2쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우, 전자 간 상쇄간섭이 발생하여 어떠한 측정 조건(빛 에너지, 편광, 입사 방향 등)으로도 관측할 수 없는 암흑 상태의 전자가 형성됨을 확인하였다.

고체 물질 속 전자 파동의 광명 상태와 암흑 상태 (이미지=김근수 교수)

㉮, ㉯, ㉰, ㉱는 고체 물질의 원자 4개를 나타내고, 그 주변의 곡선은 전자의 파동을 나타낸다. 파란색의 경우 4개 원자의 전자 파동이 모두 같은 방향을 향하여 보강간섭이 일어나 빛으로 관측할 수 있는 광명 상태(bright state)가 된다. 반면에 빨간색, 노란색, 초록색의 경우 2개 원자의 전자 파동은 위로 향하고, 다른 2개 원자의 전자 파동은 아래로 향하여 상쇄간섭이 일어나 어떠한 측정 조건(빛의 에너지, 편광, 입사 방향 등)에서도 관측할 수 없는 암흑 상태(dark state)가 된다.

고체 물질 속 전자의 암흑 상태 (이미지=김근수 교수)

같은 종류의 원자 4개가 2쌍(왼쪽 위와 오른쪽 아래의 붉은색 동그라미, 오른쪽 위와 왼쪽 아래의 푸른색 동그라미)으로 대칭일 때 발생하는 전자 파동의 간섭무늬를 보여준다. 어둡게 나타나는 부분이 상쇄간섭으로 인한 전자의 암흑 상태에 비유할 수 있다.

연세대 김근수 교수는 “고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어, 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자 현상(quantum system)을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”라며 “이번 성과를 바탕으로 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도(High-temperature superconductivity)의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 밝혔다.