<안태규 한국연구재단 자연과학단장>
안녕하십니까? 한국연구재단 자연과학단장을 맡고 있는 안태규입니다. 오늘 브리핑할 내용은 내일 네이처지에 게재되는 연세대학교 김근수 교수님의 연구 성과입니다.

김 교수님은 2021년부터 과기정통부 개인기초사업의 최고 자리인 글로벌 리더연구사업을 수행하고 계십니다. 참고로 리더연구사업은 1997년부터 시작된 창의적 연구진흥사업을 계승하여 최고연구자에게 수여하고 있습니다.

김 교수님의 연구 성과는 흑린결정에서 알칼리 이온을 집어넣고 그걸 이용해서 전자결정 조각을 만드셨습니다. 거기서, 그런데 여기서 나온 전자결정 조각은 예전에 노벨상을 수상하신 유진 위그너 교수님께서 1934년에 이론적으로 예측하신 바 있는데요. 그걸 실제로 실험적으로 입증하셨습니다. 다양한 응용을 할 수 있는데요. 초액체, 초유동체, 초전도체 등에 활용할 수 있습니다.

과기정통부와 한국연구재단은 연구자의 자율성 및 창의성 보장을 위해서 노력하고 있습니다. 이에 따라 김근수 교수 연구팀과 같은 다양한 세계 최초·최고를 지향하는 기초연구를 안정적으로 지원하고 있습니다. 앞으로도 의지와 역량을 갖춘 연구자가 꾸준하게 연구할 수 있는 환경을 만들도록 하겠습니다.

감사합니다.


<김근수 연세대학교 교수>
안녕하십니까? 연세대학교 물리학과에서 온 김근수입니다.

우선 소개 말씀해 주신 안태규 단장님을 비롯해서 이런 브리핑 기회를 마련해 주신 과기부 모든 관계자분께 감사드리면서 저의 오늘 브리핑 시작하도록 하겠습니다.

우선 제가 브리핑 제목에서 보시는 바와 같이 저희 이번 연구 성과는 고체 물질 연구 중에서도 고체 물질 안의 전자들이 형성하는 어떤 결정 조각들을 발견한 것입니다.

먼저, 고체 물질 속에서 몇 가지 주목해야 될 점들에 대해서 소개를 해드리겠는데요. 잘 아시는 것처럼 고체 물질은 원자로 구성됩니다. 그런데 그 원자들은 아주 규칙적인 대열을 이루어서 움직일 수가 없습니다.

그런데 그 원자에 붙어 있는 전자들은, 물론 모든 전자는 아니지만 일부 고체 안에서의 전자들은 자유롭게 움직일 수가 있습니다. 그렇기 때문에 저희가 예를 들면 이 반도체 기술에서 전기 신호로 활용하는 전류 같은 것들을 간단하게 물질에 전압을 거는 방법을 통해서 쉽게 전자를 이동시킬 수 있기 때문에 발생을 시킬 수가 있는 거라고 설명을 드릴 수 있겠습니다.

그러한 반면에 사실 이 전자가 고체 물질 안에 1개만 존재하는 것이 아니기 때문에 우리가 고체 물질의 물성을 완벽하게 이해하기 위해서 반드시 필요한 것 하나가 바로 저 전자들, 수많은 전자들 간의 상호작용을 이해하는 것이고 바로 이 부분이 사실 고체물리학 이론에서 명확하게 풀어내기가 굉장히 어렵기 때문에 현대 고체물리학의 가장 중심 화두 중 하나가 이 전자 간의 상호작용을 이해하는 것이다, 이렇게 말씀을 드릴 수 있겠습니다.

이 전자 간의 상호작용을 고려하면 예상하지 못했던 새로운 현상이 벌어질 수 있다는 것을 잘 알려진 헝가리 출신의 물리학자 유진 위그너가 1930년대에 이론적으로 제안을 한 적이 있는데요.

다름 아닌 전자들이 잘 아시는 것처럼 음의 전하를 가지고 있기 때문에 전자와 전자는 서로 반발력을 가질 수밖에 없습니다. 그 점이 아주 강하게 발현되는 상황, 주로 전자들의 밀도가 낮을 때 그런 이 방향을 향해 가게 되는데, 그런 상황이 벌어지게 되면 전자들이 서로 밀쳐내는 힘이 너무 강하기 때문에 마치 움직일 수가 없는, 결정과 같은 상태를 이루게 되는 그런 것을 이론 모델로서 제안을 한 바가 있습니다. 그것이 제가 지금 말씀드리는 ‘전자결정’이라는 것이고, 다른 전문용어로서 '위그너 결정'이라고 우리가 보통 부르는 것이 바로 그 전자결정을 말하는 것입니다.

그에 더해서 제가 이번에 발견한 것은 전자결정을 발견했을 뿐만 아니라 이 전자결정이 사실은 미세하게 조각나 있는 상태를 발견한 거라고 말씀드릴 수 있겠습니다.

그런 차원에서 사실 생각해 보시면 어떤 물질이 이 고체 상태로 전이하는 과정에서, 액체에서 고체로 전이하는 과정에서도 단순하게 한 번에 특정 온도에서 모든 물질의 상태가 고체로 전이되는 것이 아니라 제가 보내드린 그 자료에 보시는 바와 같이 일부 고체가 듬성듬성 생겨나기 시작을 해서 일종의 결정 조각들이 먼저 생겨나는 이런 것들이 좀 더 자연스럽게 우리 주변 자연에서 관찰할 수 있는 거라는 걸 아실 수가 있습니다.

이런 것들을 제가 지금 이름하여 ‘전자결정의 조각’이라고 표현을 하고 있는 것이고요. 이런 사실은 그러니까 액체 상태에서 고체 상태로 단번에 전이가 일어나는 것이 아니라 전자결정의 경우도 이와 같은 결정 조각들이 먼저 형성되는 과정을 거칠 것이라는 것이 2000년대 들어 많은 이론물리학자들이 또 하나 예상을 했던 바이기도 합니다. 저희 연구 결과는 바로 이 점, 이 전자결정 조각을 실험적으로는 처음 발견한 것이라고 설명을 드릴 수 있겠습니다.

우선 좀 더 구체적인 말씀드릴 텐데요. 저희가 실험에 활용한 구체적인 물질은 이름하여 흑린이라는 물질입니다. 흑린은 잘 알려진 2차원 물질 중의 하나인데 가장 대표적인 2차원 물질이 그래핀인데 그래핀은 탄소원자로 구성된 2차원 물질이라고 한다면 이 흑린이라는 것은 Phosphorus, 인 원자로 구성된 물질입니다.

보통 인 원자가 들어가면 불안정한 물질이 형성되는 경우가 많은데 이 흑린이라는 물질은 영어로는 Black Phosphorus라고 해서 가장 안정한 형태의 물질이라고 설명드릴 수 있겠고요. 저희는 이 흑린 물질을 일종의 절연체로, 모체로서 활용하고 그 물질의 표면에 알칼리 금속 원자들을 올려줌으로써, 증착해 줌으로써 알칼리 금속 원자들이 전자를 흑린에 주입하도록 유도한 것입니다. 그렇게 주입된 전자들의 상태를 저희가 이 실험 테크닉을 이용해서 자세하게 연구를 한 것이고요.

사실 그런데 이것이 저희가 2021년에 이미 연구를 했던 시스템입니다. 그때부터 해서 계속 연구를 하고 있는 시스템이고, 역시 2021년에 같은 학술지인 네이처에 게재된 연구 결과인데 그 당시는 저희가 액체와 같은 전자 상태를 발견했다고 해서 그때도 나름의 언론에 보도가 되기도 했었습니다.

제가 실험에 활용한 방법도 이왕 말씀을 드리는 김에 조금 더 구체적으로 설명을 드리려고 합니다. 저희가 전자의 상태를 알아보기 위해서, 측정하기 위해서 쓴 방법은 전문용어로 각분해광전자분광이라는 고체물리학의 가장 중심 된 실험 기술 중의 하나라고 말씀드릴 수 있습니다.

지금 보시는 것처럼 고체 물질에 전자들이 들어 있을 텐데 저 전자들의 상태를 알아보기 위해서 저희는 빛을 이용합니다. 광자 또는 빛을 쪼여줌으로써 굉장히 에너지가 높은 빛을 이용하면 저 전자들이 튀어나오게 되는데요. 아인슈타인의 유명한 광전효과에 의거해서 전자들이 광전자로서 튀어나오게 되는데, 저 전자들이 고체 물질 안에서의 전자 상태에 대한 정보를 가지고 나옵니다.

저희가 측정하는 두 가지 물리량이고 튀어나오는 전자의 에너지와 각도를 측정해서 에너지로 고체 안에서의 결합에너지를 뽑아내고 각도로부터 운동량 정보를 뽑아내서 고체 안에 들어있던 전자들이 어떤 에너지와 운동량의 상관관계를 가지고 있었느냐를 측정하는 것입니다. 그 실험을 통해서 저희가 전자 상태에 대한 정보를 얻는 거라고 설명을 드릴 수 있습니다.

방금 말씀드린 실험 테크닉의 원리에 따르면 빛을 이용하기 때문에, 그런데 저희가 실험실 차원에서 만들어 낼 수 있는 빛의 밝기는 제한적입니다. 그렇기 때문에 저희는 굉장히 강한 에너지의 강한 빛, 밝은 빛을 활용하기 위해서 보다 더 전문적인, 그래서 첨단 대형 연구시설을 활용하게 되는데 그 연구시설이 다름 아닌 방사광가속기라는 것입니다.

이게 크기가 지금 사진에 예시로서 보여드리는 바와 같이 거의 큰 거는 축구장 크기 정도 될 정도로 굉장히 큰 대형 연구시설이고요. 저 안에서 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속해서 아주 밝은, 태양 빛보다 훨씬 더 강한 그런 빛을 만들어 내는 장치라고 보시면 되고, 저희는 저 빛을 포집해서 방금 전에 설명드린 각분해광전자분광 실험을 수행한 거라고 보시면 되겠습니다.

저희가 이번 연구에 활용한 방사광가속기는 미국의 버클리에 소재한 ALS라는 방사광가속기연구소에서 주로 실험을 수행했습니다.

실험하는 그냥 그 느낌을 전달해 드리고 싶어서 사진도 준비해 봤는데요. 지금 보시는 게 방사광가속기 시설 안에 들어가면 보시는 바와 같은 쇳덩어리로 보이는 이 장비들과 그다음에 전선들 이런 것들이 복잡하게 얽혀져 있고 저게 실험을 한 실험 장비라고 보시면 되고, 거기서 촬영을 한 것이고요.

실제로 실험하는 모습도 한번 사진으로 준비를 해봤습니다. 지금 사진에 보이는 학생이 이번 연구를 주도적으로 수행한 제1저자 박수빈 학생의 실제 실험 모습을 보여드리고 있는 것이고요.

저희가 어떤 특징을 관찰한 건지에 대한 말씀을 드리겠습니다. 이 전자 상태를 측정한다고 했는데 저희가 이 전자결정 조각이라는 것을 어떻게 파악했느냐? 그거를 말씀을 드리자면 보통의 경우는, 고체에서 아주 일반적인 전자 상태는 위쪽에 저희가 예시로서 보여드리는 바와 같이 어쨌거나 규칙적으로 나타나야만 합니다. 그것은 기체 상태의 전자든 완전한 결정 고체 상태의 전자든 지금 보시는 바와 같이 어떤 규칙성이 반드시 존재해야 됨에도 불구하고 저희의 실험 데이터를 아래쪽에 비교해서 보여드리고 있는 건데, 지금 보시면 제가 숫자로써 마커 표시한 것을 잘 살펴보시면 측정된 전자의 에너지와 운동량의 상관관계는 0번 지점하고 2번 지점하고 4번 지점이 에너지가 같지 않고, 1번과 3번도 같지 않고요. 또 예를 들면 운동량 방향으로도 0번과 1번의 간격과 1번과 2번의 간격 등등이 다 제각각이라는 것을 확인하실 수가 있습니다.

사실 결정성을 갖고 있는 고체의 전자는 절대 저런 상태를 가질 수가 없습니다. 그렇기 때문에 저희가 저 데이터를 보자마자 굉장히 새로운 실험적인 발견이라는 것은 알 수가 있었고, 과연 어떤 상태를 갖... 어떤 특징을 갖고 있어야 저런 비주기적인 혹은 불규칙한 에너지 운동량 상관관계를 보여줄 수 있는지를 분석해 본 결과, 바로 이 전자결정들이 아주 조그마하게 조각들을 형성하게 되면 그런 것이 가능하다고 분석을 하게 되었습니다. 그래서 그런 과정을 통해서 이 전자결정 조각의 존재를 발견한 것입니다.

제가 지금까지 설명을 드렸지만 기존 연구와 가장 결정적 차별성이 무엇인지를 다시 한번 말씀을 드리려고 합니다. 그러니까 지금 보여드리고 있는 자료의 이 왼쪽 그림이 소위 기체 상태와 같이 전자가 분포하면 어떤 느낌인지 그 장면을 하나 보여드리고 있는 것이고요.

그다음에 오른쪽에 보시는 바가 전자가 완벽한 결정을 이루면 어떤 상태인지, 저것이 아까 전에 말씀드렸던 위그너라는 물리학자가 최초에 예견했던 상태라고 말씀드릴 수 있겠습니다.

그런데 여태까지는 이걸 쉽게 말씀드려 전자들이 어떤 결정성을 갖거나 그렇지 않거나, 이걸 비유적으로 말씀드리면 고체 상태이거나 아니면 완전히 규칙성이 없는 기체 상태이거나. 이와 같이 물질의 상태... 전자의 상태를 이분법적으로 인식해 왔다고 말씀을 드릴 수 있습니다.

그런데 저희가 발견하게 된 거는 이 가운데에 보시는 바와 같은 것이 어떻게 보면 불규칙하다는 점에만 착안해 보시면 기체 상태나 제가 가운데 보여드리고 있는 것이 이렇게 차이가 없어 보... 둘 다 불규칙한 것이죠. 그렇지만 기체 상태에 비해서 액체의 결정 상태는 뭔가 평균적인 원자 간격을 유지하고 있는 그런 상태라는 것을 확인하실 수가 있습니다.

그래서 이 가운데에 해당하는 저 액체결정 상태와 비슷한 전자결정 조각들을 이번에 처음 발견하게 됐다는 것이 저희 연구 성과가, 이번 연구 성과가 기존의 어떤 선행연구와 무엇이 다르냐를 가장 분명하게 보여드리는 거라고 생각이 듭니다.

방금 설명드린 거를 조금 더 구체적으로 확대해서 보여드리는 셈인데요. 결국은 이것이 지금 이 왼쪽 그림에 보시면 액체 같은 전자들이 이렇게 분포한다고 했을 때 제가 전자결정으로서 이렇게 동그라미를 쳐 놓은 것들을 살펴보시면 이 규칙적인 배열이 완전히 완벽하면 고체라고 볼 수 있고 완전히 없으면 기체라고 볼 수 있는데, 지금 이런 그림의 특징은 아주 국소적으로는, 국소적으로는 규칙적인 배열이 있는데 그 부분을 저희가 전자결정이라고 하는 건데, 혹은 좀 더 먼 거리로 확장시켜서 생각해 보면 완벽한 규칙성은 없는 그런 특징을 갖고 있다는 걸 확인하실 수가 있습니다.

그래서 이것이 마치 액체의 전자의 바다 위에 저런 전자결정들이 떠다니는 것 같은 그런 특징을 갖고 있는 물질의 상태라고 볼 수가 있고요. 그런 차원에서 이런 것들이 새로운 점을 갖고 있다, 이렇게 설명드릴 수 있겠습니다.

저희가 보도자료 배포하면서 이 그림으로 나온 것이 오른쪽에 보시는 그림인데 이게 제가 지금 아까 학술적으로 설명드린 전자결정이라는 것을 이렇게 3D로 형상화한 그림이라고 생각하시면 되고, 저게 육각 모양으로 정렬된 것이 제가 지금 말씀드린 전자결정 조각이라고 이해를 하시면 되겠습니다.

이것이 어떻게 활용될 수 있느냐, 혹은 어떤 연구로 이어질 수 있느냐에 대해서 몇 가지 말씀을 드리겠는데요. 두 가지로 예를 들어 말씀을 드리려고 합니다. 첫 번째로는 바로 이 물리학의 최대 난제, 고체물리학의 최대 난제 중 하나라고 할 수 있는 고온초전도와의 연관성인데요. 이것이 학술적으로 복잡하기 때문에 제가 간단한 비유로서 설명드리고자 이런 장면을 가져왔는데요.

지금 이 그림을 보시면 사실 저 물고기 하나하나를 우리가 전자라고 이해할 수 있는데 지금 보시는 바와 같은 뭔가 저 물고기들이 어떤 집단행동을 하는, 저런 뭔가 원동력이 있을 것이거든요. 바로 그런 점을 우리가 탐구해 나가는 거라고 말씀드릴 수 있는데, 왜 이것을 가지고 온 거냐면 고온초전도라는 것이 다름 아니라 전자들이 이 그림과 같이 집단적으로 쌍을 이루어서 뭔가 집단행동을 하는 그런 상태로 비유할 수 있습니다. 그렇기 때문에 불순물을 만나도 그대로 무시해 버리고 그냥 지나가 버리니까 소위 저항이 사라지는 그런 현상이 발생하는 것이거든요.

그런데 여기서 고온초전도 현상을 저희가 완벽하게 이해를 하지 못하고 있는 이유는 바로 저 전자와 전자들을 묶어 주는 힘이 무엇인지 그런 부분들이 명확하게 밝혀진 바가 없는 것입니다.

저희가 이번에 발견하게 된 전자결정이라고 한다면 전자 간의 반발력에 의해서, 전자들이 일정한 배열을 국소적이나마 이루게 되기 때문에 이것들이 전자와 전자를 묶어 주는 힘에, 힘과 연결될 가능성이 있기 때문에 저희의 연구 성과를 바탕으로 해서 이런 고온초전도의 메커니즘을 이해할 수 있지 않을까, 그런 단초를 제시할 수 있지 않을까, 이렇게 기대를 하고 있는 상황입니다.

조금 더, 조금 더 기술적인 용어가 많이 등장해서 간단하게 말씀드리려고 하는데 초유체라는 것도 사실 비슷하게 물질의 점성이 사라지는 물질이 보여주는 굉장히 희한한, 독특한 현상 중의 하나입니다. 그런데 저희가 초유체의 경우도 액체의 헬륨이 대표적으로 초유체성을 보여주는 물질인데 그 메커니즘이 아주 세부적으로 다 밝혀져 있지는 않은 상태입니다.

그런데 바로 이 초유체의 경우에 잘 알려진 중요한 특징 중의 하나가 지금 오른쪽 그림에 보시는 것처럼 초유체에서의 에너지 운동량 상관관계가 지금 보시는 것처럼 굉장히 불규칙한 또는 비주기적인 성격을 갖고 있다는 것은 잘 알려진 특징입니다.

그런데 저희가 이번 연구 결과에서 아까 전에 핵심 실험 데이터에서 제가 소개를 드린 것처럼 이런 비주기적인, 불규칙한 에너지 운동량 상관관계를 실험적으로 어떻게 보면 처음 발견했다, 이렇게 생각하고 있는 것이라 이 전자결정의 조각이라는 개념이 초유체의 메커니즘을 우리가 이해하는 데 있어서도 일정 정도 중요한 단초를 제공할 수 있지 않을까, 그렇게 기대하고 있는 상황입니다.

마지막으로, 아까 전에 말씀드리긴 했지만 그냥 간단하게 덧붙이고자 준비한 슬라이드인데요. 저희가 아까 말씀드린 것처럼 2021년에 사실 비슷한 알칼리 금속 원자들을 흑린이라는, Black Phosphorus라는 물질 위에 증착을 해서 연구해서 액체와 같은 전자 상태를 발견했고요. 그 연구는 중견연구 지원으로서 저희가 2021년까지 저희가 지원을 받았었고 역시 네이처에 게재가 되었습니다.

그런데 그 이후에 저희가 같은 연구 주제를 리더연구의 일환으로서 계속 깊이 있게 파고들 수가 있었고 결정적인 차이라고 한다면 밀도입니다. 전자 밀도가 높을 때는 좀 더 액체와 같은 성질을 보여주고요. 위그너가 예견했던 전자결정 상태는 밀도가 낮아지면 낮아질수록 그쪽 상태로 가는 거라 저희가 저 상태에서 출발해서 밀도가 낮은 상태로 계속 연구를 심화 확장시켜 봤더니 오늘 제가 소개해 드린 것과 같은 전자결정 조각들의 흔적을 더 발견할 수가 있었습니다.

그래서 앞으로 계속 같은 연구의 방향으로 쭉 이어서 연구하고자 하고요. 이와 같이 같은 한 가지 주제를 깊이 있게 연구하는 것이 새로운 발견에서 상당히 중요한 것 같다, 이런 말씀을 드리고 싶었습니다.

이거는 저희 고생한 연구팀 한번 보여드리고 싶어서 마지막 준비했고, 여기까지입니다. 들어주셔서 감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> 발표 잘 들었고요. 또 세계 최초로 발견했다는 부분에서 축하드리고요. 일단은 노벨상 수상자 이론을 발견했다는 점, 또 그런 이론을 증명했다는 점에서는 높이 평가가 될 수 있겠는데 이게 실제 현대물리학에 어떤 영향을 미칠지, 이번 연구 결과가. 그리고 사실 고온초전도체 연구 방향이 좀 더 기존하고 달라지지 않을까, 라는 하나의 어떤 기점이 되지 않을까, 라는 생각을 하게 됐거든요. 그래서 그렇게 어떻게 변화될 것인지에 대한 부분이 첫 번째 질문이고요.

두 번째는 이런 발견들이 결국은 어떻게 응용될까, 라는 부분으로 이제는 기대가, 기대를 하거나 예측을 해야 되는 부분인데 이게 이제 미래 전자재료라든지 소자, 소자개발 이런 부분에 어떻게 보면 핵심적인 키가 되지 않을까, 라는 생각도 되거든요.

그래서 응용을 하게 된다면 어떤 분야로 우선 좀 더, 좀 더 연구를 많이 해야겠지만 그래도 어떤 산업이라든가 어떤 분야로 응용이 될지, 특히 이게 전자결정 조각의 발견이 상용화 가능한 기술로 발전하기 위해서는 또 어떤 추가적인 연구가 더 필요한지 이런 부분에 대해서 말씀해 주시기 바랍니다.

<답변> (김근수 연세대 교수) 알겠습니다. 우선 하나하나 답변을 한번 드려보겠습니다. 첫 번째 말씀하신 제가 생각하기에 이번 연구에서 뭔가 전환점이 될 만한 내용이 있다면 제가 생각하는 것은 이 전자결정이라는 것을 여태까지 학계에서도 인식을 할 때 보통 전자결정이 완벽하게 형성된 경우와 그다음에 완전히 결정성이 없는 기체와 같은 전자의 경우, 이 두 가지로 이분법적으로 인식해 왔다는 겁니다.

그런데 저희의 연구 결과는 그것이 아니라 그 중간에 아주 국소적으로만 배열이 존재하는 그런 전자결정 조각들이 먼저 형성되는 과정이 존재한다는 걸 처음 인식한 것이 뭔가 새로운 생각이라고 저희는 생각을 하고 있고요. 그래서 그런 개념이 앞으로 뭔가 고온초전도라든지 아니면 초유체와 같은 메커니즘을 이해하는 데 있어서 단초 역할을 할 수 있지 않을까 기대를 하고 있어서 그 점을 강조해서 말씀드리고 싶고요.

두 번째 말씀하신, 이게 워낙 기초연구 성과다 보니까 활용 방안에 대해서 말씀을 드릴 때는 조금 장기적 관점에서 말씀드릴 수밖에 없기는 한데요. 그런데 그럼에도 불구하고 사실 예를 들어서 우리가 상온초전도 같은 걸 생각해 볼 때 상온초전도를 향해 가는 두 가지 방식이 있을 수 있습니다. 한 가지는 그냥 우리가 정확하게 초전도 메커니즘을 이해하고 있진 못하지만 물질을 새로 합성해서 혹시 고온, 꽤 높은 초전도성이 나타나지를 찾아보는 그런 막 탐험하는 방식이 있을 수 있고요.

그런데 보다 물리학자들이 좀 더 선호하는 방식은 정확하게 이 고온초전도라는 것의 메커니즘을 이해하면 무엇이 초전도 온도, 임계온도를 높일 수 있는지를 우리가 물질을 설계할 수가 있는 가능성이 열리기 때문에 그런 방식이 또 물리학자들이 좋아하는 방식 중 하나입니다.

그런 차원에서는 저희의 연구 결과가 전자결정 조각이라는 개념을 통해 만에 하나 고온초전도의 메커니즘의 이해로 이어질 수 있다면 그것은 종국에는 임계온도 상승으로 다 이어질 수가 있기 때문에 이것이 무언가 거대한 흐름의 시발점을 만들 수 있다는 차원에서는, 차원에서 활용 방안에 대해 말씀드릴 수 있습니다.

<질문> 추가 질문 아니고요. 마지막 질문에서 추가적으로 연구를 더 해나가야 될 때 어떤 부분이 필요한 건지.

<답변> (김근수 연세대 교수) 저희는 지금 어떻게 보면 정확하게 이 연구에서는 고온초전도 물질도 연구를 하고 있습니다만 고온초전도 물질을 다룬 연구는 아니어서 두 가지 연구 방향을 말씀드리고 싶은데 여기서 저희가 발견하게 된 개념을 혹은 쉽게 말씀드려서 전자결정 조각이라는 개념이 혹시 실제 고온초전도체에 나타나는지를 확인하는 것은 굉장히 중요한 다음 스텝일 것 같습니다. 그런 것들이 한 가지 방향이고요.

또 한 가지는 사실 저희가 이 흑린에 알칼리 금속 원자를 dosing한, 이 시스템을 좋아하는 이유가 고체물리에서 벌어지는 많은 물리학적 현상을 단순한 형태로 보여주는 일종의 모델 시스템으로서 가치가 있기 때문입니다. 그래서 그런 차원에서는 이 모델 시스템을 조금씩 변조를 하면서, 사실 아까 말씀드린 2021년도 연구가 이번에 2024년도의 연구로 이어진 바와 같이 여기에 추가적으로 변조할 여지가 저희는 많다고 봅니다.

한 가지만 구체적인 언급을 드리자면 여기서는 알칼리 금속 원자를 썼는데 저희가 이미 데이터도 좀 확보하고 있는 것이 알칼리 토금속, 그러니까 2족 원자를 dosing하는 겁니다. 그러면 전자는 더 많이 주입되고 전자들이 느끼는 도핑 인자들이 부여하는 포텐셜의 깊이가 달라지고 이런 재미난 차이가 생기거든요. 그런 것들을 통해서 고체물리의 근본적인 부분들을 탐구하는 게 저희의 나아가고자 하는 방향 중의 또 다른 중요한 방향입니다.

<질문> 간단히 답해 주시면 고맙겠습니다. 공부 잘했습니다. 우선, 1963년도에 위그너 결정으로 해서 노벨상을 받은 분이 계시던데 혹시 이 분야도 향후에 받으실 가능성이 있는지 전망 좀 간단하게 해주시고요.

두 번째 질문은 ALS에서 실험을 하셨더라고요. 그런데 포항에서는 불가능할까요? 그 문제, 두 번째 질문이고요.

세 번째는 연구 기간, 예산, 참여 기관에 대해서 간단하게 이야기해 주시고 나머지 세부적으로 내용에 대한 궁금증은 끝나고 나서 따로 여쭤보겠습니다.

<답변> (김근수 연세대 교수) 알겠습니다. 하나하나 답변을 드려보겠습니다. 첫 번째 질문이 제일 어려운데요. 그게 가능성이라고 말씀을 하시면 가능성이 없지는 않겠지만 지금 단계에서 가능성을 논할 정도로 뭔가 엄청난 일이 벌어진 거라는 식으로 그렇게 말씀을 드리기는 조금 저는 어렵다고 생각합니다.

그러니까 이렇게 말씀드리고 싶네요. 이게 비유적으로 또 표현을 해보자면 뭔가 노벨상을 언급하셨는데 노벨상이라는 것은 이번에도 노벨상 물리학상과 화학상 받은 걸 보면 비록 응용적 성격의 분야에서 받기는 했지만 그런 뭔가 과학계의 거대한 판도 변화를 만들어 낸 시발점에 해당하는 연구들이 받았거든요.

그런데 그거를 제가 비유적으로 표현하자면 망망대해에서 저희가 유전 같은 걸 탐색하기 위해서 이렇게 한 포인트를 잡아서 깊이 파고들어가는 그런 느낌입니다. 그 안에 유전이 나올지 안 나올지는 알 수 없지만 어쨌거나 저희가 깊게 파고들어가 봐야 아는 느낌이기는 하거든요. 그게 AI의 경우처럼 시대와 그다음에 또 거대한 흐름들을 만나서 폭발적인 성장을 할 수도 있는 것이고 그렇지 않을 수도 있습니다.

저희는 사실, 제가 오늘 말씀드린, 예를 들면 전자결정 조각이라는 것을 말씀을 드리면 그게 그렇게까지 시대의 흐름을 타게 될지 그거는 알 수 없지만 어쨌거나 저희가 굉장히 새로운 발견들을 하고 있기 때문에 계속 파고들어가는 그런 거라는 제가 설명을 드리고 싶고요.

두 번째로 질문하신 것...

<질문> 포항.

<답변> (김근수 연세대 교수) 포항 방사광가속기, 포항 방사광가속기로도 충분히 여기에 있는 실험들을 재현할 수 있습니다. 그런데 저희가 중간에 그 설명들을 조금 부족하게 드렸는데 이 방사광가속기가 저희가 미국 거를 쓰기는 했지만 저것을 예를 들면 부탁해서 빌려 쓰는 개념은 아니거든요. 보통 국가가 투자해서 만든 방사광가속기는 저희 같은 전 세계적인 외부 유저에 공평하게 오픈되어 있습니다. 그래서 저희가 이 Proposal을 써서 아주 정당하게 타임을 받아서 활용하고 있는 거라 저희가 포항 방사광가속기에서도 타임을 받아서 활용을 했지만 이번 연구는 이 ALS에서 된 거라고 말씀드리겠습니다.

그런데 그럼에도 불구하고 덧붙이고 싶은 것이 저희가 오창에 새로 방사광가속기를 짓고 있지 않습니까? 이런 것들이 조금 더 국내 방사광가속기를 활용한 더 좋은 연구들을 가능하게 할 것으로 저는 아주 기대를 크게 하고 있습니다.

그리고 마지막으로 말씀하신 연구 기간과, 2020... 저희가 연구 과제는 아까 단장님께서 소개해 주신 글로벌 리더연구 수행 중이고 2021년에 시작해서 올해 4년 차를 맞이하고 있고요. 연구비는 물리학 분야 같은 경우는 총 6개년도인데 그중에서 처음에 3년 동안은 9억 원의 연구비를, 그다음에 뒤의 3년 동안은 6억 원의 연구비를 활용하는 그런 정도입니다.

<질문> (사회자) 참여 기관 물으셨습니다, 참여 기관.

<답변> (김근수 연세대 교수) 참여 기관이요? 이번 연구는 ALS 방사광가속기를 사용했기 때문에 그 ALS의 스태프 사이언티스트들이 세 분 정도 저자로 참여하셨고, 그 외에는 저희 연세대학교의 학생들입니다. 학생들 2명과 저 이렇게 돼 있습니다.

<질문> (온라인 질의 대독) 그러면 e-브리핑을 통해서 들어온 질문 하나 하고 가겠습니다. 조선비즈 기자 질문이고요. 흑린에 알칼리를 도핑한 이유가 물리현상을 간단하게 보여줄 수 있는 모델 물질로 유용하기 때문이라고 설명해 주셨는데 어떤 이유 때문에 간단히 현상을 나타내는 건지 설명을 해주셨으면 좋겠습니다. 또 알칼리는 어떤 걸 사용했는지도 부탁드립니다.

<답변> (김근수 연세대 교수) 답변드리겠습니다. 흑린이라는 물질은 저희가 자연에 존재하는 여러 물질이 있습니다만 물리학자들도 그 물질을 이해하기 위해서 분석을 하다 보면 2족 원소로 구성된 물질만 하더라도 상당히 복잡하게 느껴집니다.

자연에 존재하는 단일원소로 구성된 물질이 그렇게 많지는 않은데요. 특히나 3차원 물질은 상당히 있는데요. 예를 들면 실리콘이나 저마늄 같은 게 있죠. 그렇지만 2차원, 이렇게 층형의 물질을 살펴보면 예를 들면 그래핀, 그래파이트라든지 아니면 제가 오늘 말씀드린 이 Black Phosphorus 혹은 Phosphorine 이런 물질들이 되게 유니크한 케이스라고 말씀드릴 수 있습니다.

그런 차원에서 흑린이 이런 단일원소로 구성된 물질이라는 게 굉장히 중요한 특징 중 하나고요. 그 외에도 말씀드릴 수 있는 결정성이라든지 퀄리티 그리고 표면 도핑을 했을 때 얼마나 흡착이 잘 이루어지는지 이런 기술적인 부분들이 조금 더 있습니다만 이런 말씀들, 드린 말씀이 가장 주요한 원인이 될 것 같고요.

그리고 두 번째로는 뭐죠?

<질문> (온라인 질의 대독) 그리고 알칼리는 어떤 걸 쓰셨는지.

<답변> (김근수 연세대 교수) 알칼리 메탈은 네 종류를, 저희가 다 비교분석을 해야 됐기 때문에, 그러니까 리튬은 쓰지 않았는데 소듐, 포타슘, 루비듐, 세슘 네 종류를 다 활용을 했습니다.

그래서 저희가 2021년도에 네이처에 발표했던 논문에서도 이 네 종을 다 활용하고 비교분석을 했고요. 이번 연구에서도 그 네 가지 종류를 다 활용해서 비교분석한 것이 저희가 이 전자결정 조각이라는 것의 존재를 파악하는 상당히 주요하게 작용을 하기도 했습니다.

<답변> (사회자) 혹시 추가로 질문하실 기자님 계실까요? 그러면 더 이상 질문이 없으실 것 같습니다. 그럼 브리핑을 마치도록 하겠습니다. 오늘 브리핑의 보도 시점은 네이처에 게재되는 10월 17일 0시입니다. 국제 엠바고임을 감안해서 보도 시점까지 가판과 PDF 등에 노출되지 않도록 유의해 주시기 바랍니다. 감사합니다.

<답변> (김근수 연세대 교수) 고맙습니다.

<끝>