암흑 전자 세계 최초 국내 연구진의 성과

고체 물질 속 암흑 전자 발견

국내 연구진이 세계 최초로 고체 물질 속에서 빛으로 관측할 수 없는 ‘암흑 전자’의 존재를 규명했다. 과학기술정보통신부는 30일 김근수 연세대학교 교수 연구팀이 미국·영국·캐나다 등 국제 공동연구를 통해 세계 최초로 고체 물질 속의 ‘암흑 전자’를 확인하는 데 성공했다고 밝혔다.

암흑 전자란?

암흑 전자는 자연에 존재하면서도 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 관측이 불가능한 상태를 의미한다. 이는 다양한 자연 현상에 영향을 주기 때문에 인류가 아직 정복하지 못한 여러 난제 해결의 실마리를 제공할 수 있다. 암흑 전자의 존재 규명은 물질의 본질을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

• 암흑 전자는 고체 물질 속에서도 존재할 수 있다.
• 양자 간섭을 통해 암흑 전자의 존재 가능성을 연구했다.
• 4년간 연구 끝에 방사광가속기를 활용하여 관측했다.
• 원자 배열의 대칭성에 의해 암흑 전자가 형성된다.
• 암흑 전자의 발견으로 고온초전도의 비밀을 풀 가능성이 높아졌다.

고체 물질 속의 암흑 상태

고체 물질의 원자는 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류의 원자 네 개가 두 쌍으로 짝을 지어 대칭을 이룰 경우 전자 파동의 간섭 무늬에서 어둡게 나타나는 부분이 상쇄간섭의 결과로 나타난다. 전자의 암흑 상태는 상쇄간섭이 발생하여 어떠한 측정 조건으로도 관측이 불가능한 상태를 의미한다.

연구 배경과 과정

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 추측했다. 꾸준한 연구를 통해 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안했다. 이후 방사광가속기를 활용해 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀냈다.

연구 성과와 의의

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 지난 29일(현지시간) 게재되었다. 이는 고체 물질 속에서도 전자들이 암흑 상태로 존재할 수 있음을 세계 최초로 규명한 것이다. 고체 물질 속 전자의 암흑 상태 발견은 현대 물리학의 난제 해결에 중요한 단서를 제공한다. 또한 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있음을 밝혔다.

연구의 향후 계획

김근수 교수는 “고체 속 암흑 전자의 존재 규명은 보이지 않는 존재를 인식했다는 차원을 넘어 그 존재를 모를 때 설명할 수 없었던 양자현상을 이해하는 단서를 제공할 수 있다”면서 “이번 성과를 바탕으로 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는 데 도전할 계획”이라고 밝혔다.

암흑 전자의 특징

이번 연구는 고체 물질 속 전자의 암흑 상태를 규명함으로써, 보이지 않는 상태에 대한 이해를 넓히고 다양한 자연 현상과 물질의 본질을 파악하는 데 중요한 기여를 했다. 연구 성과는 국제적으로 큰 주목을 받았으며, 향후 물리학의 난제 해결에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.