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초고체 존재에 대한 새로운 증거 밝혀
- 사이언스 익스프레스 게재, “고체 헬륨이 실제 초고체임을 규명하여 새로운 물질의 존재 증명”-
기체‧액체‧고체를 뛰어넘는 초고체(supersolid) 현상을 처음으로 밝혀낸 KAIST 김은성 교수가 최근 초고체 존재에 대한 논란을 해소하는 새로운 증거를 밝혀내 초고체가 실존한다는 사실을 규명하였다.
김은성 교수(39세, 교신저자)와 최형순 박사(30세, 제1저자)의 주도 하에, 일본 이화학연구소(理化學硏究所, RIKEN) 연구팀이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 직무대행 김병국)의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행되었다.
연구결과는 세계 최고 권위의 과학 전문지인 ‘사이언스(Science)’에 게재 승인을 받고, 특히 연구의 중요성을 인정받아 사이언스의 온라인 판인 ‘사이언스 익스프레스(Science Express)’ 11월 19일자에 게재되었다.
김은성 교수는 2004년 고체 헬륨을 극저온(영하 273도)으로 냉각시키면, 고체임에도 불구하고 그 일부가 별다른 저항 없이 자유롭게 흐르는 독특한 물질 상태(초고체)로 존재한다는 사실을 비틀림 진동자(torsion pendulum)를 이용하여 세계 최초로 규명한 초고체 연구의 선구자이다.
그러나 지난 6월 김 교수가 비틀림 진동자를 통해 관측한 현상을 초고체 현상이 아닌, 온도에 따른 고체 헬륨의 고전적․일반적 물성 변화에 기인한 것이라는 주장이 새롭게 제기됨에 따라, 초고체가 과연 존재하는지 여부가 학계의 초미의 관심사로 떠올랐다.
김은성 교수와 최형순 박사 연구팀은 매우 빠른 속도로 고체 헬륨을 회전시켜 초고체 상태가 파괴되는 현상을 직접 관측함으로써 초고체가 실제로 존재한다는 사실을 밝혀냈다.
초고체가 담겨 있는 용기를 회전시킬 때 초고체는 별다른 저항을 받지 않고 자유롭게 흐르기 때문에 용기를 따라 돌지 않는다. 그러나 매우 빠른 속도로 용기를 회전시키면, 초고체 내부에 양자 소용돌이가 발생하고, 이것은 초고체 현상을 유지하는데 필요한 요소를 제거하여 초고체 현상을 파괴할 것으로 예측된다. 이에 반해 고전적 고체는 회전속도에 민감하게 반응하지 않는다.
특히 이번 연구는 국내연구진의 주도하에 이루어졌고 그 결과가 세계 최고 권위지에 발표된 이례적인 값진 연구 성과로서, 우리나라 기초연구의 우수성을 전 세계에 널리 알렸다는 점에서 그 의미가 매우 크다.
이번 연구는 김은성 교수와 최형순 박사가 지난 2008년부터 땀과 노력으로 꾸준히 일궈온 성과로서, 지금까지 사이언스와 같은 세계 최고 학술지에는 저명한 외국학자와의 공동연구가 아닌, 국내연구팀이 주도적(단독 제1저자, 단독 교신저자)으로 논문을 발표한 사례는 드물다.
김은성 교수는 “이번 연구는 카이스트 연구팀의 초고체 연구에 대한 창의적인 아이디어와 일본 연구팀의 첨단 회전식 희석냉각장치를 접목시켜 시너지 효과를 거둔 결과이다. 특히 군 대체 복무기간을 연장하면서까지 전체 실험을 직접 수행한 최형순 박사가 없었다면 이번 연구는 이루어질 수 없었다”고 밝혔다. 또한 이번 연구는 “단순히 초고체 존재에 대한 논란에 종지부를 찍었다는 점뿐만 아니라, 고체 헬륨이 실제 초고체임을 규명하여 새로운 물질의 존재를 확인함으로써 순수과학에 대한 이해의 폭을 넓혔다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.
2010.11.19 조회수 16913 -
김은성 교수팀, 초고체 헬륨에서 숨겨진 상(Hidden Phase) 존재 규명
- 초고체 헬륨에서 나타나는 이력현상과 동적 분산현상의 설명이 가능해져
- 세계적 권위지인‘Nature Physics’4월 5일자 온라인 게재
우리는 평소에 고체, 액체, 기체라는 세가지 대표적인 물질상태에 대해 배운다. 하지만 지난 100년간 물리학자들은 수많은 노력으로 그 외에서 초전도체, 초유체 등 많은 새로운 상태가 있다는 것을 밝혀냈고 이런 발견들은 종종 노벨상으로 이어지기도 했다.
2004년에는 -273℃(200 mK)의 극저온으로 가면 일부 고체 헬륨의 점성이 완전히 사라진다는 놀라운 사실이 발견되었고 이 새로운 상태는 초고체라 불린다. KAIST 물리학과 김은성 교수(39)는 이 초고체 상태를 세계 최초로 보고한 장본인이다. 하지만 왜 초고체가 생기는지 그 근본원인은 아직 베일에 싸여있었다.
최근 김은성 교수와 최형순 박사(30)팀은 교육과학기술부 창의적 연구진흥사업의 지원을 받아 비틀림진동자라는 초정밀 분석장치를 이용해 초고체 상태에 숨겨진 상(像)의 발견에 성공했다.
초고체가 진동의존성과 온도의존성을 보인다는 사실은 김 교수 자신에 의해 이미 밝혀져 있었다. 이번 연구에서는 초고체를 특정 온도에서 약하게 진동시키다가 갑자기 강하게 진동시킬 때 나오는 반응으로 초고체의 동역학을 실시간으로 분석했다. 이 때 김교수팀은 시간에 따른 초고체의 반응이 온도에 따라 크게 달라진다는 사실을 알아냈다. 더불어 연구팀은 진동 세기를 변화시켰을 때 바뀌기 이전 상태의 특성이 어느 정도 지속되는 이력 현상을 발견했다. 이는 초고체 상태에도 여러 단계의 서로 다른 안정한 상태가 존재한다는 것을 뜻한다. 이번 연구결과는 4월 5일 세계적 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 온라인판에 게재됐다.
김 교수는 “이번 연구결과로 21세기 순수물리의 최대 발견 중 하나로 꼽히는 초고체 상태에 대한 이해를 넓혀 초고체 연구분야에서 세계를 주도하는 위치에 서게 됐다”고 의미를 부여했다.
○ 용어해설 : 초유체는 2.17 K에서 액체 헬륨의 점성이 완전히 사라지는 상태를 말함. 초전도체는 저항 없이 전기가 흐를 수 있는 물질임.
<김은성 교수>
KAIST 물리학과 김은성 교수는 ‘초고체’ 현상 이라는 새로운 물질상태를 세계최초로 발견해 이 연구 분야를 개척하였고 이 결과를 인정받아 2008년에는 Lee Osheroff Richardson상을 수상하였다. 현재 교육과학기술부 창의적 연구진흥 사업의 지원을 받아 초고체 현상 규명에 대한 연구에 매진하고 있다. (042-350-2547,eunseong@kaist.edu)
2010.04.05 조회수 16255