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지금까지 발견된 암흑 상태의 전자는 원자나 분자에 존재했다. 상당수 연구자는 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속의 전자는 암흑 상태로 존재하는 것이 불가능하다고 여겨왔다.
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 것이라고 추측했다.
이후 4년 동안 연구하면서 전자의 암흑 상태를 설명하는 모델을 고안하고, 방사광가속기로 고온초전도체 구리 산화물에서 관측할 수 없었던 전자가 암흑 상태에 해당함을 밝혀냈다.
연구팀은 고체 물질 속 전자가 암흑 상태로 존재할 수 있는 핵심 요인이 구성 원자들의 독특한 배열에 있다는 사실도 확인했다.
고체 물질의 원자들은 미세한 단위 구조가 반복되는 형태로 배열된다. 이 단위 구조에 같은 종류의 원자 네 개가 두 쌍으로 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 형성되는 것으로 나타났다.
김근수 연세대 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”며 “앞으로 현대 물리학의 난제인 고온초전도의 비밀을 푸는데 도전할 계획”이라고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 29일자로 게재됐다.
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