"정말 기괴한" 양자 발견, 물리 법칙에 도전

한 국제 연구팀은 양자 진동이 절연체의 표면뿐만 아니라 그 내부에서도 발생할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 극한의 자기장 하에서 물질이 금속처럼 작용할 수 있는 새로운 지평을 열었습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

첨단 소재를 연구하는 물리학자 루리는 사람들이 자신의 연구가 어떻게 새로운 기술이나 실질적인 돌파구로 이어질 수 있는지 궁금해한다는 것을 잘 알고 있습니다. 하지만 때로는 그가 밝혀낸 것이 너무나 특이해서, 그 가치는 우주가 얼마나 기묘한지를 보여주는 데에 그치곤 합니다.

리는 국제 과학자 팀과 협력하여 그러한 발견 중 하나를 이루었으며, 최근 Physical Review Letters 에 그 내용이 기술되었습니다.

"훌륭한 응용 분야가 있다고 주장하고 싶지만, 제 연구는 그 꿈을 점점 더 멀어지게 만들고 있습니다."라고 미시간 대학교 물리학 교수인 리는 말했습니다. "하지만 우리가 발견한 것은 여전히 ​​정말 기이하고 흥미진진합니다."

양자 진동: 전자가 스프링처럼 작용할 때

미국 국립과학재단(NSF)과 미국 에너지부의 지원을 받는 이 연구는 양자 진동이라는 수수께끼 같은 효과에 초점을 맞춥니다. 금속에서 이러한 진동은 전자가 작은 용수철처럼 자기장에 반응하여 진동할 때 발생합니다. 과학자들은 자기장의 세기를 변화시킴으로써 이러한 "전자 용수철"의 이동 속도를 조절할 수 있습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 연구자들은 전기나 열을 전도해서는 안 되는 물질인 절연체에서도 동일한 양자 진동을 발견했습니다. 이러한 발견으로 과학자들은 이 효과가 물질의 표면에서만 발생하는지, 아니면 내부 깊숙한 곳(벌크라고 함)에서 발생하는지에 대한 논쟁을 벌이고 있습니다.

자료 속에서 답을 찾다

만약 진동이 표면에서 발생한다면, 잠재적 기술 개발에 특히 흥미로울 것입니다. 표면에서는 전기를 전도하지만 내부는 절연 상태를 유지하는 위상 절연체라는 물질은 이미 새로운 종류의 전자, 광학, 양자 소자 개발에 활용될 수 있도록 연구되고 있습니다.

이 미스터리를 탐구하기 위해 리와 그의 동료들은 세계에서 가장 강력한 자석을 보유한 국립 자기장 연구소(National Magnetic Field Laboratory)로 향했습니다. 그들의 실험 결과, 진동은 단순한 표면 효과가 아니라, 물질 자체의 큰 덩어리에서 비롯된다는 것이 밝혀졌습니다.

"그걸 어떻게 활용해야 할지 알고 싶지만, 지금으로서는 전혀 모르겠습니다." 리는 시인했다. "지금 우리가 가진 것은 놀라운 현상에 대한 실험적 증거이고, 이미 기록해 두었으니, 언젠가는 어떻게 활용할 수 있을지 알게 되길 바랍니다."

글로벌 협업과 명확한 결과

이 연구에는 미시간 대학의 연구원인 첸관웬과 대학원생인 좡 주, 젱 국신, 장 데첸, 찬 에런, 카일라 젠킨스를 포함하여 미국과 일본의 6개 기관에 소속된 과학자 12명 이상이 참여했습니다.

"수년간 과학자들은 이 특이한 절연체의 운반체 기원에 대한 근본적인 질문에 대한 답을 찾기 위해 노력해 왔습니다. 바로 벌크 상태인가, 표면 상태인가, 내재적 원인인가, 외재적 원인인가 하는 질문입니다."라고 첸 박사는 말했습니다. "우리는 이것이 벌크 상태이며 내재적 원인이라는 명확한 증거를 제시하게 되어 기쁩니다."

물리학의 "새로운 이중성"

리 박사는 이 발견을 자신이 "새로운 이중성"이라고 부르는 것의 일부로 설명합니다. 물리학의 원래, 즉 "오래된" 이중성은 과학자들이 빛과 물질이 파동과 입자로 모두 작용할 수 있다는 사실을 깨달은 지 100년도 더 전에 나타났습니다. 이 발견은 물리학을 혁신했고, 태양 전지와 전자 현미경과 같은 기술의 탄생으로 이어졌습니다.

리 교수는 이 새로운 이중성은 도체와 절연체 역할을 모두 할 수 있는 물질을 포함한다고 말합니다. 그의 연구팀은 이테르븀 붕소화물(YbB12)이라는 화합물을 35테슬라에 달하는 강력한 자기장 내에서 사용하여 이 아이디어를 탐구했습니다. 이는 병원 MRI 기계 내부의 자기장보다 약 35배 강한 자기장입니다.

"사실상, 전자 장치에 사용하기에 적합한 전도성이 좋은 표면을 상상했던 우리의 순진한 생각은 완전히 틀렸다는 것을 보여주고 있습니다."라고 리 박사는 설명했다. "절연체임에도 불구하고 금속처럼 행동하는 것은 화합물 전체입니다."

"미친 금속"의 미스터리를 풀다

이러한 "금속과 같은" 거동은 극한의 자기 조건에서만 나타나지만, 이 발견은 물질이 양자 수준에서 어떻게 행동하는지에 대한 새로운 의문을 제기합니다.

"진동이 대량이고 고유하다는 것을 확인한 것은 매우 흥미로운 일입니다."라고 주 교수는 말했다. "우리는 아직 어떤 종류의 중성 입자가 이 관측에 관여하는지 알지 못합니다. 이번 발견이 향후 실험과 이론적 연구에 동기를 부여하기를 바랍니다."

이 프로젝트는 복잡적응물질연구소, 고든 앤 베티 무어 재단, 일본과학진흥협회, 일본과학기술진흥기구로부터 추가 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251108083908.htm