과학자들이 마침내 전자로만 이루어진 고체의 첫 번째 직접 이미지를 포착했습니다.

이 반짝이는 푸른 무늬는 물리학자들이 직접 관찰할 수 있을지조차 확신하지 못했던 현상, 즉 원자의 결합 없이 전자들이 스스로 배열되어 단단한 결정 구조를 이루는 모습을 담은 사진입니다. 프린스턴 대학교의 물리학자들이 위그너 결정의 첫 번째 직접 이미지를 포착했는데, 이는 물리학자 유진 위그너가 1934년에 예측했던 것을 입증하는 것입니다. 실제로 누군가가 위그너 결정을 사진으로 기록하기 약 90년 전의 일입니다.

일반적인 결정은 원자들이 서로 끌어당겨 반복적인 구조를 이루면서 형성됩니다. 위그너 결정은 이와는 완전히 반대되는 형태의 고체로, 모두 동일한 음전하를 띠고 있어 서로 반발하는 전자들로만 이루어져 있습니다. 위그너는 전자들을 충분히 얇게 펼쳐놓고 온도를 충분히 낮추면, 전자들 사이의 반발력만으로도 균일한 간격의 질서정연한 격자 구조를 형성할 수 있다고 이론화했습니다. 본질적으로 전자들은 끌어당기는 힘이 아닌 밀어내는 힘으로만 이루어진 고체인 것입니다.

실제로 이를 관찰하기 위해 물리학자 알리 야즈다니가 이끄는 연구팀은 초청정 이중층 그래핀 시트를 사용하고, 시료를 절대 영도에 가까운 온도로 냉각한 다음, 강한 자기장을 가하여 전자의 속도를 충분히 늦춰 반발력이 작용하도록 했습니다. 그런 다음 주사 터널링 현미경(STM)을 사용하여 결과를 촬영했습니다. STM은 빛이 아닌 양자 터널링을 이용하여 10억분의 1미터보다 작은 규모의 물질을 매핑하는 장치입니다. 그 결과 삼각형 격자가 나타났는데, 이미지 속 각 빛나는 점은 전자가 전자기적 반발력에 의해 이웃 전자와 일정한 간격으로 떨어져 고정된 위치를 나타냅니다.

과학자들은 수십 년 동안 위그너 결정의 간접적인 흔적을 발견해 왔지만, 이번 연구는 사진을 통해 결정이 실제로 존재한다고 말할 수 있게 된 최초의 사례입니다. 연구진은 이 기술이 지금까지 이론상으로만 존재했던 다른 이국적이고 불안정한 전자 상태를 시각화하는 데에도 새로운 가능성을 열어준다고 말합니다.

다른 어떤 결합 요소도 없이 전자만으로 사진으로 촬영할 수 있을 만큼 구조화된 형태를 만들 수 있다는 사실을 알게 된 후, "고체 물질"에 대한 여러분의 생각이 바뀌셨나요?

출처: 프린스턴 대학, Ali Yazdani, Nature 저널

출처: https://www.facebook.com/astrophileszz/posts/pfbid0KvqREnVWrsE6Xed6S5g7ogobNfMJ7JWwMkZPF2bjKvwcicvW16vV1Tq8sYzFv6Hwl