고온초전도 비밀 풀어줄 '홀스타인 폴라론' 입자 발견
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.
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.
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