암흑 전자 세계 최초 존재 규명

네이처 피직스(Nature Physics) 
7월 29일(현지시간 7.29.(월) 10시, GMT) 게재
논문명: Dark states of electrons in a quantum system with two pairs of sublattices.

자연에는 빛을 흡수하거나 방출하지 않아 
관측이 어려운 암흑 상태가 존재한다. 

자연의 기본 입자 중 하나인 전자의 경우에도 
암흑 상태로 존재하는 것이 가능한데, 
지금까지는 발견된 암흑 상태의 전자는 
주로 원자나 분자에서 발견되었다. 
반면 원자들이 규칙적으로 배열된 고체 물질 속 전자의 경우 
입방 센티미터 당 1023개 이상의 무수히 많은 전자가 
복잡 다양한 양자 상태로 존재하기 때문에 
암흑 상태가 불가능할 것이라 믿어왔다.

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
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 결과.

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 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 형성됨을 확인하였다.

현대물리학에서 아직 풀리지 않은 중요한 난제 중 하나가 
고온초전도 현상이다. 
대표적인 고온초전도체인 구리산화물의 전자를 빛으로 측정하면 
이론 예측과는 달리 일부 전자가 보이지 않는 현상이 
지난 40년간 풀리지 않는 의문이었다. 
본 연구를 통해 구리산화물 고온초전도체의 관측할 수 없던 전자가 
바로 암흑 상태에 해당한다는 사실을 밝혀냄에 따라, 
고온초전도의 메커니즘 규명에 한 걸음 더 다가설 수 있게 되었다.

<고온초전도>
초전도는 낮은 온도에서 물질의 저항이 사라지는 현상이다. 
보통 영하 240도 이하 극저온에서 발견되었지만, 
1986년부터 비교적 높은 온도에서 초전도가 발견되어 
이를 고온초전도라 부른다. 
전통적인 초전도 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없기 때문에 
지난 40년간 난제로 남아 있다. 
초전도가 나타나는 온도를 상온까지 끌어 올리면, 
에너지, 발열 방지, 운송, 의료 등에 혁명적 변화를 가져올 수 있다

고체 물질 속 전자의 암흑 상태