성균관대-KAIST 공동 연구팀, '순수 전자로 구성된 2차원 양자 전자상' 발견

왼쪽부터 성균관대 에너지과학과 김성웅 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김용관 교수(교신저자), KAIST 물리학과 김성헌 박사(제1저자) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김수연 인턴 기자 = 성균관대(총장 신동렬) 에너지과학과 김성웅 교수와 KAIST 물리학과 김용관 교수 공동 연구팀이 순수하게 전자만으로 이루어진 2차원 양자 전자상을 발견했다고 성균관대 측이 4일 밝혔다. 본 연구는 과학기술 분야 국제 학술지 '네이쳐 머터리얼즈'에 게재됐다.

자연계에서 전자(electrons)는 원자를 구성하는 요소로 원자핵과 결합한 상태로 존재한다. 따라서 오직 전자만으로 이루어진 순수한 전자상(electron phase)을 이루는 것은 실험적으로 불가능한 것으로 여겨져 왔다.

공동연구팀은 미지의 순수 전자상을 실현하기 위해 물질 내부의 빈 공간에 음이온 형태로 전자가 존재하는 전자화물(electride)이라는 새로운 양자 소재에 주목했다. 전자화물은 전자가 원자의 최외각 궤도에 위치하지 않고, 규칙적으로 배열된 원자들 사이의 독립적인 공간에 음이온의 형태로 존재하는 신소재다.

공동연구팀은 2차원 전자화물인 가돌리늄 탄소화합물(Gd2C)의 표면 원자층 제거를 통해 내부의 음이온 전자층을 비어있는 공간으로 드러내 Gd2C 전자화물 원자층으로부터 떨어진 곳에 자유롭게 흐를 수 있는 일종의 액체와 같은 상태로 떠 있는 2차원 전자상을 구현해냈다. 특히 연구팀은 떠 있는 전자상의 전자 밀도를 제어해 액체 상태에서 전자가 고정돼 흐르기 어려운 전자 액정 상태(액체와 고체의 중간 특성을 보이는 상태)로 변화시키는 데 성공했다.

이는 형성된 2차원 전자상의 상태 변화를 이끌어 낼 수 있음을 보여주는 것으로, 1930년대에 이론적으로 제안된 이후 아직까지 물리학계의 난제로 남아있는 미지의 위그너 격자(Wigner crystal, 순수 전자가 원자핵 없이 규칙적으로 배열된 일종의 전자의 고체 상태) 구현과 그에 관한 연구가 가능함을 보여주는 결과라고 연구팀은 설명했다.

기존 순수 전자상은 액체 헬륨을 이용해 극저온(0.1K 이하)에서 연구됐지만, 이번 결과는 10K에서 고체 전자화물을 이용해 순수한 양자 전자상을 발견한 것이어서 앞으로 전자만을 자유롭게 활용한 기초 및 응용 연구가 가능하게 될 것으로 기대된다는 설명이다.

성균관대 김성웅 교수는 "이번 연구로 누구나 쉽게 제조할 수 있는 전자화물 양자 소재의 2차원 양자 전자상을 활용하면 높은 온도에서의 양자 컴퓨팅 개발 연구로도 확대할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

전자화물 Gd2C의 결정구조 및 떠 있는 2차원 전자상(부유 전자층)을 보여주는 모식도(왼쪽)와 2차원 부유 전자층(오른쪽 위)과 계면 공간에 존재하는 음이온 전자층(오른쪽 아래)
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