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한명준 교수, 새로운 양자역학적 자성 상태 확인
〈 한명준 교수 연구팀 〉
우리 대학 물리학과 한명준 교수 연구팀이 중앙대학교, 일본 이화학연구소 (RIKEN), 미국 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 등과의 공동연구를 통해 새로운 양자역학적 자성 상태인 ‘Jeff = 3/2’의 존재를 처음으로 확인했다.
양자역학에서는 스핀 각운동량과 궤도 각운동량의 합으로 주어지는 총 각운동량을 보통 영문자 ‘J’로 표현한다. 이번에 확인된 특이 자성은 특정한 조건이 만족될 때만 나타나는 일종의 각운동량으로 볼 수 있는데, 학계에서는 ‘유효 (effective) 각운동량’이라는 의미로 흔히 ‘Jeff’로 표기해 왔다.
유효 각운동량이 3/2이 되는 경우는 그간 그 가능성에 대한 논의가 있기는 했지만 실제로 확인되지 못하고 있었는데 이번에 최초로 발견된 것이다.
이는 향후 초전도 현상, 양자 자성 등 관련 연구에도 새로운 발판이 될 것으로 기대된다.
정민용, 심재훈 석박사 통합과정이 참여한 이번 연구는 국제 학술지‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
최근 학계에서는 스핀-궤도 결합이 강한 상황에서 통상적인 것과는 다른 독특한 양자 상태가 구현될 수 있다는 것이 알려지면서 활발한 연구가 진행되고 있다.
보통 전자의 스핀이나 오비탈이 나타내는 자기 모멘트와 달리 이 두 가지가 강하게 결합하여 형성된 유효 자기 모멘트 Jeff는 특이한 바닥상태와 상호작용 양상을 나타내며 이로부터 새로운 현상과 물성이 발현될 수 있다.
지난 10년 여 간의 연구가 주로 Jeff가 1/2인 경우에 대하여 이루어진 데에 반해 이 값이 3/2이 되는 경우에 대한 연구는 실제 사례를 찾지 못하며 더디게 진전되고 있는 상황이었다.
한 교수가 이끄는 연구팀은 지난 2014년 원자가 아니라 분자 오비탈에 기반해 특정 물질군에서‘Jeff = 3/2’상태가 구현될 수 있는 가능성을 이론적으로 예측한 바 있고 이번 연구는 이를 실험적으로 증명한 것이다.
한 교수 팀은‘Jeff = 3/2’상태에서는 일반적인 스핀 모멘트와는 다른 양자역학적 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이 적용되어야 한다는 점에 착안했다.
엑스레이를 이용해 원자 핵 근처에 있는 전자를 ‘여기 (excite)’시키면 여기된 전자는 다른 전자들과 상호작용을 하는 과정에서 흡수되기도 하고 재방출되기도 하는데 이 때 만족시키게 되는 물리법칙이 ‘선택 규칙 (Selection Rule)’이다.
양자역학에 따르면 이 선택 규칙은‘Jeff = 3/2’상태에서는 매우 독특해 보통의 스핀상태와는 뚜렷이 구분될 것이라는 예측이 가능하다. 이러한 아이디어에 따라 진행된 실험에서는 물질 내의 탄탈륨 원자에서 뽑아낸 두 가지 서로 다른 에너지 영역의 전자가 실제 이론 예측을 따르는 스펙트럼 양상을 보이는 것이 확인됐다.
이는‘Jeff = 3/2’모멘트 고유의 양자역학적 간섭현상이 반영된 것으로 그 존재에 대한 매우 직접적인 증거로 받아들여진다.
이 새로운 양자상태는 통상적인 물질의 자기 상태와 매우 다른 것으로서 그 특성에 대한 연구의 시발점이 될 것으로 기대되고 있다. 또한 이러한 자성상태와 상호작용으로부터 발현되는 다양한 물성에 대한 연구 역시 탄력을 받을 것으로 보고 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 일반연구자 지원사업과 해외 과학기술 자원활용사업의 지원을 받아 수행됐으며 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터 자원을 사용했다.
□ 그림 설명
그림1. ‘Jeff=3/2’상태를 갖는 것으로 밝혀진 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물의 결정구조
그림2. 갈륨 탄탈륨 셀레늄화합물(GaTa4Se8)의 계산된 전자구조
2017.11.30 조회수 19315 -
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 16915