과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2024. 10. 17.(목) 00시 (국제 엠바고) (2024. 10. 17.(목) 조간)	배포	2024. 10. 16.(수) 09:00

세계 최초로 고체 물질 속에서 액체와 고체의 특성을 모두 갖는 전자결정 조각 발견

- 연세대 김근수 교수 연구팀, 새로운 전자결정 상태 발견으로 물리학 난제 해결 단초 마련

기존 연구의 후속 연구를 통해 ’21년에 연이어 네이처지 게재

과학기술정보통신부(장관 유상임, 이하 ‘과기정통부’)는 연세대학교 김근수 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 ‘전자결정’ 조각을 발견했다고 밝혔다.

이는 현대 물리학의 오랜 난제인 고온초전도체 및 초유체 현상의 비밀을 풀어낼 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

과기정통부 기초연구사업(글로벌 리더연구)의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「네이처(Nature)」에 10월 17일(현지시간 10.16.(수) 16시, GMT) 게재*되었다.

*논문명: Electronic rotons and Wigner crystallites in a two-dimensional dipole liquid.

고체 물질 속에서 원자는 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 반면, 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전압을 걸어 전자들의 흐름을 만들어 주면 전류가 발생한다.

전자들이 서로 밀어내는 힘을 고려하여 전자들이 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 전자결정 상태는 노벨 물리학상(’63년) 수상자인 유진 위그너가 제안하였다.

전자를 결정상태로 만들 수 있으면 고온초전도체*나 초유체**와 같은 난제 해결의 열쇠가 될 수 있기 때문에 수십 년간 물리학의 주요 화두가 되었고, 그동안 전 세계의 수많은 연구자들이 연구해왔다.

* 고온초전도체: 영하 240도 이상 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질

** 초유체: 극저온에서 점성이 사라지는 물질

연구팀은 지난 ’21년에 알칼리 금속을 첨가(도핑)한 물질에서 액체의 성질을 가진 전자 상태를 발견하였고, 연구성과는 역시 네이처지*에 게재된 바 있다. 연구팀은 여기서 그치지 않고 첨가(도핑) 농도를 조절하는 등 후속 연구를 지속적으로 수행한 결과, 특정 첨가(도핑) 농도에서 액체의 성질뿐만 아니라 고체의 성질도 동시에 갖는 전자결정 조각을 발견하기에 이르렀다.

*논문명: Pseudogap in a crystalline insulator doped by disordered metals.

발견한 전자결정을 입증하기 위해 연구팀은 방사광가속기와 각분해광전자분광 장치를 이용하여 전자의 에너지와 운동량을 정밀 측정하였고, 미세한 전자결정 조각이 존재할 때 나타나는 독특한 불규칙성을 관측하는 데 성공하였다.

이번 연구는 마치 액체결정(액정) 상태와 같은 전자결정 조각을 발견한 세계 최초의 연구 결과이며, 관측된 불규칙성은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 특징과도 유사하다.

김근수 교수는 “지금까지 학계에서는 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다”며, “이번 연구를 통해 짧은 거리의 배열만 존재하는 제3의 전자결정 상태를 인식하게 되었다는 점에 이번 연구의 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 김근수 교수 연구팀의 이번 성과의 기반이 된 ’21년 연구성과 역시 과기정통부 기초연구사업(중견연구)의 지원을 통해 이루어진 것으로 과기정통부 관계자는 “선행 연구의 성과가 후속 연구를 통해 심화·발전되어 자연 현상의 근원에 더욱 근접한 연구가 가능했다”고 밝혔다.

과기정통부는 “지식의 탐색과 확장”이라는 기초연구 본연의 목적에 충실하면서도 국내 연구생태계를 더욱 튼튼히 할 수 있도록 내년 기초연구 지원 사업을 역대 최고 수준인 2.34조원(정부예산(안) 기준, 국회 심의중) 규모로 편성하고, 조만간 사업 추진을 위한 구체적인 계획을 발표할 예정이다.

담당 부서	기초원천연구정책관	책임자	과 장	송완호	(044-202-4530)
	기초연구진흥과	담당자	주무관	허정현	(044-202-4537)
유관 기관	연세대학교	교신저자	교 수	김근수	(010-3352-0158)
	물리학과

주요내용 설명

<작성 : 연세대학교 김근수 교수>

논문명	Electronic rotons and Wigner crystallites in a two-dimensional dipole liquid
저널명	Nature
키워드	Electronic rotons (전자 로톤), Wigner crystallites (위그너 결정립), 2D dipole liquid (2차원 쌍극자 액체), alkali metals (알카리 금속), ARPES (각분해광전자분광)
DOI	https://doi.org/10.1038/s41586-024-08045-0 (10월 16일 게재 예정, online at 4pm [UK시간], 10월 24일 정식 게재 예정)
저 자	김근수 교수(교신저자/연세대학교), 박수빈 연구원(제1저자/연세대학교)

1. 연구의 필요성

○ 고체 물질에서 원자들은 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없지만 (도체나 반도체의 경우) 전자들은 마치 기체처럼 자유롭게 움직일 수 있다. 때문에 물질에 전압을 걸어 전자의 흐름을 만들어 주면, 첨단 반도체 기술에서 전기 신호로 활용하는 전류가 발생하는 것이다.

○ 1930년대 헝가리 물리학자 유진 위그너(1963년 노벨상 수상)는 전자간 서로 밀어내는 힘을 고려하여 전자들이 규칙적인 배열을 이루어 움직일 수 없는 ‘전자 결정’을 제안하였다. 이를 위그너 결정(Wigner crystals)이라 부른다.

○ 입자이자 파동인 전자가 결정을 이룬다면 그 자체로 신비로울 뿐만 아니라, 1010개 이상의 많은 입자 간 상호작용은 고온초전도체* 및 초유체* 현상의 비밀을 풀 열쇠로써 현대 응집물질물리학의 중심 화두 중 하나이다.

* 고온초전도체 : 영하 240도 이상 비교적 높은 온도에서 저항이 사라지는 물질이다. 전통적인 초전도 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없기 때문에 지난 40년간 물리학 난제 중 하나로 남아 있다.

* 초유체 : 극저온에서 점성이 사라지는 물질이다. 대표적인 예로 액체 헬륨이 있다. 약채 핼륨은 영하 271도 이하에서 초유체가 되어 소용돌이가 발생하지 않고 마찰이 없기 때문에 영원히 회전할 수 있다.

2. 연구내용

○ 김근수 교수 연구팀은 2021년 알카리 금속을 표면 도핑한 물질에서 액체와 같은 전자 상태를 발견하였고, 같은 국제학술지 네이처에 게재*한 바 있다. 그 후속 연구로서 더 적은 양의 알카리 금속이 도핑된 물질의 전자 상태를 연구하던 중 아주 미세한 전자 결정 조각(그림 1)의 흔적을 발견한 것이다.

*논문명: Pseudogap in a crystalline insulator doped by disordered metals,

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03683-0.

○ 방사광가속기*와 각분해광전자분광* 장치를 이용하여 물질에 도핑된 전자의 에너지와 운동량을 정밀하게 측정한 결과, 미세한 결정 조각이 존재할 때 예상된 독특한 불규칙성(그림 2)을 관측하였다. 전자결정 조각의 크기는 1~2 나노미터 수준으로 머리카락 굵기의 만분의 일보다 작다.

* 방사광가속기: 태양 보다 100억배 이상 밝은 빛을 만드는 대형 연구 시설. 연구팀은 이번 연구에서 미국 로렌스버클리국립연구소의 ALS 방사광가속기를 활용하였다.

* 각분해광전자분광: 고체 물질 속 전자의 상태를 분석하기 위한 실험 기법 중 하나로 물질에 밝은 빛을 조사하여 튀어 나오는 광전자의 에너지와 각도를 측정한다.

○ 전자들의 규칙적인 배열이 완벽한 경우(위그너 결정)을 고체 상태, 규칙적인 배열이 완전히 없는 경우를 기체 상태에 비유하자면, 짧은 거리의 배열만 존재하는 전자결정 조각들은 액체결정(액정) 상태에 비유할 수 있다.

3. 기대효과

○ 전자결정 조각은 도핑된 반도체나 절연체에 보편적으로 나타날 수 있기에 다양한 후속 연구가 기대된다. 물질의 저항이 사라지는 고온초전도 현상은 도핑된 절연체에서 발견된다. 연구팀은 이 점에 주목하여 고온초전도체에서 미세한 전자결정 조각들의 흔적을 탐색하고 있다. 이 연구를 통해 물리학의 오랜 난제 해결의 실마리를 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

○ 이번 연구에서 발견된 전자 상태의 불규칙한 특성(그림 2)은 물질의 점성이 사라지는 초유체의 대표적인 특징과 유사한데, 이를 로톤(roton)*이라 한다. 오직 짧은 거리의 배열만 존재하는 결정 조각을 바탕으로 초유체와 로톤의 미시적 원리를 이해할 수 있을 것으로 기대한다.

* 로톤: 1940년대 러시아 물리학자 란다우(1962년 노벨상 수상)가 초유체를 설명하기 위해 도입한 준입자로 그림 2와 유사하게 불규칙한 특성을 보인다.

그림 설명

(그림1) 고체 물질 속 전자결정 조각들을 형상화한 그림

투명한 파란공은 결정을 이룬 전자를 나타내고, 불투명한 검은공은 결정을 이루지 않은 채 남아있는 전자를 나타낸다. 흰색선으로 연결된 투명한 파란공들은 육각형 모양으로 오직 짧은 거리의 배열만 갖는 전자결정 조각을 이루고 있다.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수

(그림2) 전자결정 조각의 흔적을 보여주는 실험 데이터

방사광가속기와 각분해광전자분광으로 측정한 데이터로 세로축은 전자의 에너지를, 가로축은 전자의 운동량을 나타낸다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체의 전자는 규칙적인 그래프를 보인다. 하지만 측정된 데이터는 0번, 2번, 4번 지점의 에너지가 서로 다르고, 운동량 간격도 일치하지 않는 등 불규칙성을 보인다. 이는 전자결정 조각과 같이 오로지 짧은 거리의 배열만 존재할 때 나타날 것으로 예상되는 특징이다.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김근수 교수

연구 이야기

<작성 : 연세대학교 김근수 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2021년 알카리 금속을 2차원 물질 흑린의 표면에 도핑하여 전자 상태를 연구한 결과 액체와 같은 전자 상태를 발견한 바 있다 (2021년 같은 학술지 네이처 게재). 그 후속 연구로서 더 적은 양의 알카리 금속이 표면 도핑된 흑린의 전자 상태를 살펴보던 중 불규칙한 특성을 보이는 전자 상태를 발견하였다. 같은 주제를 계속 연구하고 있었기에, 데이터를 보자마자 직관적으로 전자의 액정과 같은 상태임을 짐작할 수 있었다.

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

이번 연구에서 가장 어려웠던 점은 그림 2와 같이 불규칙성을 명확하게 보여주는 실험 데이터를 확보하는 것이었다. 적당히 측정한 데이터에도 불규칙성이 완전히 보이지 않았던 것은 아니지만, 동료 연구자들을 확실하게 설득하기 위해서 불규칙성을 명확하게 보여줄 필요가 있었다. 이러한 데이터를 위해서는 시료뿐 아니라 도핑의 퀼리티가 동시에 좋아야 하기에 초고난도 실험이었지만 제 1저자 박수빈 학생의 남다른 열정과 헌신적인 노력 덕분에 좋은 데이터를 확보할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

전자들의 규칙적인 배열이 있는 경우를 고체 상태에 비유하고, 규칙적인 배열이 없는 경우를 기체 상태에 비유할 수 있다. 지금까지 학계에서는 이와같이 전자의 규칙적인 배열이 있는 경우와 없는 경우를 이분법적으로 인식해 왔다. 하지만 이번 연구를 통해 규칙적인 배열이 오직 짧은 거리에만 존재하는 전자결정 조각들을 발견한 것이다. 이는 전자의 액체결정(액정) 상태에 비유할 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 연구 결과를 바탕으로 물질의 저항이 사라지는 초전도체, 물질의 점성이 사라지는 초유체의 미시적인 원리를 밝혀내고 물리학의 오랜 난제를 해결하는 것이다.

연구자 소개

<김근수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 연세대학교 물리학과

○ 전 화 : 02-2123-2609

2. 학력

○ 2005	연세대학교 학사 (물리학)

○ 2010	연세대학교 박사 (물리학)

○ 2010 ~ 2013	미국 로렌스버클리국립연구소 박사후연구원

3. 경력사항

○ 2013 ~ 2017	포항공과대학교 물리학과 조교수

○ 2017 ~ 현재	연세대학교 물리학과 조/부/정교수

○ 2021 ~ 현재	한국연구재단 리더연구(밴드구조제어연구단) 단장

○ 2024 ~ 현재	미국 스탠퍼드대학교 방문교수

○ 2016	이달의과학기술자상(과학기술정보통신부)

○ 2019	국무총리 표창(대한민국 정부)

○ 2021	한성과학상(한성손재한장학회)

○ 2021	장관 표창(과학기술정보통신부)

○ 2022	한국과학기술한림원 차세대회원 선출

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(저차원 양자물질, 각분해광전자분광)

5. 연구지원 정보

○ 2021 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(리더연구)

<박수빈, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 연세대학교 물리학과

2. 학력

○ 2022	연세대학교 학사 (물리학)

○ 2022 ~ 현재	연세대학교 석박사통합과정 (물리학)

3. 경력사항

○ 2021 ~ 현재	연세대학교 밴드구조제어연구단 연구원

4. 전문분야 정보

○ 고체물리학 실험(저차원 양자물질, 각분해광전자분광)