‘원자들이 춤추는 고체물질’ 美유학 한국인이 발견

김은성씨

한국인 유학생이 물리학계의 오랜 숙원을 해결했다.

부산대 물리학과를 졸업하고 미국 펜실베이니아주립대에서 박사과정을 밟고 있는 김은성씨(33)는 ‘네이처’ 1월 15일자에 고체 상태에서 처음으로 보스-아인슈타인 응축 현상을 발견했다고 발표했다.

보스-아인슈타인 응축은 1924년 알베르트 아인슈타인과 인도의 물리학자인 사첸드라 내스 보스에 의해 처음 예견된 것으로, 원자들의 움직임이 극도로 제한되고 간격도 가까워지기 때문에 수많은 원자들이 하나의 집단처럼 행동하는 현상을 말한다.

기체와 액체에서는 이런 현상이 발견됐지만 고체에서 발견되기는 이번이 처음이다.

김씨는 모제스 찬 교수와 함께 헬륨-4(양성자와 중성자가 각각 두 개인 헬륨)를 유리그릇에 넣고 대기압의 62배인 고압상태에서 냉각시켜 고체 결정상태로 만들었다. 이때부터 유리그릇의 온도를 낮춰가며 회전시켰더니 0.175K(0K는 섭씨 영하 273도)인 극저온에서 갑자기 저항이 사라진 것처럼 잘 움직인다는 사실을 발견했다. 참고로 액체 헬륨을 2.176K까지 냉각시키면 보스-아인슈타인 응축 현상이 일어나는데, 점성이 사라져 가만히 있어도 컵의 물이 스스로 빠져나가는 초유체(superfluid)가 된다.

김씨의 논문에 따르면 0.175K에서 헬륨-4의 일부 원자들이 초유체처럼 다른 원자 사이를 아무 저항도 받지 않은 채 움직였고, 그 결과 유리 그릇의 질량이 줄어들어 움직임이 빨라진 것. 연구팀은 이번에 발견된 물질 상태를 초유체의 성질을 가진 고체란 의미로 초고체(supersolid)라고 이름 붙였다.

포항공대 물리학과 이성익 교수는 “보스-아인슈타인 응축 관련 연구는 모두 노벨상을 받을 만큼 주요 이슈였다”며 “이번 실험이 확증된다면 과학적 의미가 매우 크다”고 평가했다.

실제로 2001년과 2003년의 노벨물리학상은 기체와 액체에서 보스-아인슈타인 응축 현상을 밝혀낸 과학자에게 수여됐다.

이영완 동아사이언스기자 puset@donga.com