포스텍+GIST+MPK 합작으로, 특수 금속 내 원자 진동 억제 현상 세계 최초 규명

국내 연구진이 특수 금속 내에서 원자들의 진동이 억제되는 현상을 세계 최초로 발견해 학계의 주목을 받고 있다. 이 발견은 초전도체와 양자 소재 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

포항공과대학교(POSTECH) 물리학과 송창용 교수와 막스플랑크 한국·포스텍 연구소(MPK) 통합과정 허승필 씨 연구팀, 광주과학기술원(GIST) 물리·광과학과 신동빈 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 이 현상을 규명했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 최근 게재됐다.

물질을 구성하는 원자들은 정적인 상태가 아니라 끊임없이 진동하는데, 과학자들은 이러한 원자의 규칙적인 진동을 '포논'이라고 부른다. 포논은 물질 내 전기 흐름, 열 전달, 심지어 초전도 현상에도 영향을 미치는 중요한 요소다.

연구팀은 '카고메 금속(CsV₃Sb₅)'이라는 특수 물질에 주목했다. 이 금속은 온도가 낮아지면 내부 전자들이 특정 패턴으로 배열되는 '전하 밀도 파' 상태로 변화하는 특성을 가진다.

이 복잡한 현상을 분석하기 위해 연구진은 포항가속기연구소의 첨단 장비를 활용해 '펨토초 시분해 엑스선 산란 실험'을 수행했다. 이 기술은 1초의 1,000조 분의 1인 펨토초 단위의 미세한 변화까지 포착할 수 있어 원자와 전자의 움직임을 정밀하게 관찰할 수 있다.

실험 결과, 전자들이 질서정연하게 배열된 상태에서 세슘 원자들이 위아래로 진동하려 했으나, 전자들의 강한 질서 때문에 원자의 움직임이 크게 제한되는 현상이 발견됐다. 연구팀은 이 현상을 '포논 쩔쩔맴'이라고 명명했다.

"이번 연구는 전자와 포논 사이에 존재하는 숨겨진 상호작용을 처음으로 실험적으로 규명한 사례로, 앞으로 복잡한 양자 물질을 이해하고 제어하는 데 중요한 열쇠가 될 것"이라고 송창용 교수는 설명했다.

연구팀에 따르면, '포논 쩔쩔맴' 현상은 단일 물질에 국한되지 않고 초전도체, 양자 컴퓨터 소재 등 다양한 복잡한 전자 물질에서도 나타날 가능성이 있다. 특히 저항 없이 전기를 전달하는 초전도체에서는 전자와 원자 간 상호작용이 핵심 요소인데, 이번 발견이 그 원리 이해에 중요한 단서를 제공할 것으로 전망된다.

이 연구는 한국연구재단의 양자기반 나노소재기술개발사업, 중견연구자 지원사업, 방사광가속기공동이용연구지원사업의 지원으로 수행됐다.