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고온초전도 비밀 풀어줄 '홀스타인 폴라론' 입자 발견

송고시간2018-05-29 06:00

연세대 김근수 교수 "1950년대 예측 입자 첫 확인…고온초전도 이해 실마리 제공"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 고온초전도 현상을 설명하기 위해 1950년대에 제안된 합성 입자(composite particle)인 '홀스타인 폴라론'(Holstein polaron)을 국내 연구진이 2차원 반도체 물질 이황화몰리브덴(MoS₂)에서 처음으로 발견했다.

연세대 물리학과 김근수 교수팀은 29일 이황화몰리브덴에서 물질 표면에 도핑된 전자를 분광학적 방법으로 정밀하게 측정, 홀스타인 폴라론의 흔적을 발견했다고 밝혔다.

2차원 물질(이황화몰리브덴)의 '홀스타인 폴라론' 입자
2차원 물질(이황화몰리브덴)의 '홀스타인 폴라론' 입자

초록색, 노란색 구형체는 각각 몰리브덴(Mo)과 황(S) 원자를, 회색 막대기는 원자 간의 결합을 나타낸다. 가운데 밝은 부분은 전자구름을 형상화 한 것으로 주변 원자들과 강한 상호작용을 통해 원자 배열의 왜곡을 동반하며 고체 안에서 이를 끌고 다닌다. 육각벌집모양의 얇은 흰 선은 왜곡되기 전 원자들의 위치를 나타낸다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

폴라론(polaron)은 1933년 소련 과학자 란다우(L.D.Landau)가 고체 내 전자와 원자간 상호작용을 설명하기 위해 제안한 복합 입자로, 고온초전도 메커니즘을 폴라론 입자의 결합으로 설명하는 것은 고온초전도 현상에 대한 유력한 이론 중 하나로 꼽힌다.

고온초전도는 절대온도 0K(영하 273℃)에 가까운 저온에서 나타나는 저온초전도와 비교해 임계온도가 비교적 높은 100K(영하 173℃) 이상에서 초전도를 보이는 현상이다.

홀스타인 폴라론은 물질 내 폴라론 입자의 거동을 설명하는 이론모델로 물질 속 전자가 주변 원자를 강하게 끌어당겨 원자 배열을 왜곡시키면서 움직인다고 설명한다. 1950년대 이후 고온초전도 현상을 설명하는 이론에서 꾸준히 예측됐으나 지금까지 그 존재가 명확히 규명되지 않았다.

연구진은 2차원 물질의 전자구조 측정에서 세계 최고 수준의 분해능을 달성해 절대온도 12K(영하 261℃)에서 초전도 현상이 보고된 이황화몰리브덴 표면에서 홀스타인 폴라론 입자의 미묘한 신호를 감지하는 데 성공했다.

또 초전도성이 나타날 때 폴라론 입자의 결합 세기가 점차 증가한다는 사실도 밝혀냈다.

연구진은 이는 폴라론 입자들의 결합과 초전도 현상 간의 숨은 연관성이 모습을 드러내기 시작한 것이며 고온초전도 현상을 폴라론 간 결합으로 설명하는 이론모델을 뒷받침하는 것으로 보고 있다.

김근수 교수는 "이 연구는 2차원 물질의 제어 가능한 물성을 이용해 중요한 합성 입자를 발견한 사례"라며 "폴라론에 의한 초전도 메커니즘을 규명하는 데 중요한 역할을 함으로써 고온초전도 같은 물리학의 여러 난제를 규명하는 데 중요한 실마리를 제공할 것"이라고 말했다.

한국연구재단 기초연구사업과 연세대 미래선도연구사업 등 지원으로 수행된 이 연구 결과는 '네이처 머티리얼스'(Nature Materials, 5월 28일)에 게재됐다.

연세대 김근수 교수(왼쪽)와 MIT 강민구 연구원(박사과정. 제1저자)
연세대 김근수 교수(왼쪽)와 MIT 강민구 연구원(박사과정. 제1저자)

[한국연구재단 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

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