전자가 물처럼 흐르게 되는 금속을 발견했다 (2021년 9월 6일)

 

보스턴의 한 연구팀이 파이프 안에 흐르는 물처럼 전자의 움직임이 입자에서 유체로 변하는 새로운 금속물질을 개발했다.

이 놀라운 실험 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 발표되었다.

 

보스턴 대학의 물리학과 조교수 파젤 타프티는 니오븀(Nb)과 게르마늄(Ge)을 합성한 금속 초전도체 (NbGe2) 결정에서 전자와 포논 사이의 강한 상호작용이 전자의 이동양상을 변화시킨다는 것을 발견했다.

전자와 포논 사이의 강한 상호작용으로 인해 금속결정에서 전자는 입자와 같이 확산하지 않고 유체와 같이 유체역학의 법칙을 따르게 된다.

타프니 교수는 이 실험결과가 NbGe2 내부에 흐르는 전자-포논 유체(electron-phonon fluid)를 처음으로 발견한 것이라고 했다. 

"우리는 전자-포논 유체에 대한 이론물리의 가설을 시험하고 싶었습니다"

티프티 교수는 포논이 결정구조의 떨림이라는 것을 강조하며 말했다. 

"일반적으로, 금속에서 전자는 포논에 의해 산란하게 됩니다. 포논은 일반적으로 전자가 금속결정안에서 확산운동을 하도록 하기 때문입니다. 새로운 가설은 전자가 포논과 강하게 상호작용할 때 전자-포논 액체를 형성할 것이라고 예측했습니다. 이 새로운 액체는(전자-포논 유체) 파이프의 물이 흐르는 것과 정확히 같은 방식으로 금속 내부로 흐를 것입니다."

이론 물리학자들의 가설을 확인함으로써, 실험 물리학자 타프티는 그의 보스턴 대학 동료 물리학 교수들과 함께 전자-포논 유체의 발견이 신물질과 잠재적인 응용에 대한 추가 연구에 박차를 가할 것이라고 말한다.

티프티 교수는 우리의 일상생활이 파이프 안의 물과 전선에서 전자의 흐름으로 유지된다고 언급했다.

물과 전자는 흐른다는 점에서 비슷하게 들릴지 모르지만, 두 현상은 근본적으로 다르다. 

물 분자는 개별 분자로 흐르지 않고 유체연속체로서 유체 역학의 법칙을 따라 흐른다.

그러나 전자는 개별적인 입자로 흐르며 결정구조의 떨림(포논)에 의해 흩어지면서 금속결정 내부에서 확산된다.

박사후 연구원 양흥유로부터 상당한 기여를 받은 이 팀의 연구는 새로운 금속인 NbGe2의 전기 전도성에 초점을 맞췄다고 태프티 교수가 말했다.

연구팀은 세 가지 실험 방법을 적용했다.

첫째, 전기 저항 측정 결과 금속 내 전자는 예상보다 높은 질량을 보였고

둘째, 라만 산란 실험은 전자의 특별한 흐름으로 인해 NbGe2 결정의 진동에서 변화를 보였으며, 

셋째, X선 회절은(XRD) 물질의 결정 구조를 드러냈다.

 

예상치보다 낮은 저항을 보이는 이유는 전자와 포논의 강한 상호작용으로 인해서 였다.

"양자 진동"이라고 알려진 특정 기술을 사용하여 물질 내의 전자 질량을 측정함으로써, 연구팀은 모든 전자궤도에서 전자질량이 예상 값보다 세 배 더 크다는 것을 발견했다.

"우리는 단순한 금속에서 그런 무거운 전자를 예상하지 못했기에 정말로 놀라운 결과였습니다"

"우리는 전자와 포논의 강한 상호작용이 전자가 무거워지게 된 원인이라는 것을 알게 되었습니다. 전자는 결정구조의 떨림인 포논과 강하게 상호작용하였으며 전자는 격자에 의해 '끌려' 질량을 얻고 무거워지는 것으로 보입니다."

타프티 교수의 다음 목표는 전자-포논 상호작용을 활용하여 유체역학적 행동을 보이는 다른 물질을 찾는 것이다. 

그의 연구진은 이런 유체역학적 거동을 보이는 물질에서 유체역학적 거동을 보이는 전자의 움직임을 조절하고 새로운 전자 장치를 만드는 데 초점을 맞출 것이다.

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금속 내에서 전자가 물처럼 흐르면 어떤 일이 생기는 걸까?

이게 왜 중요한 걸까?

고체물리를 잘 못했기 때문에... 잘은 모르지만 포논이라는 건 아주아주 잘 만들어진 결정에서도 존재하는 저항의 요소라고 알고있다.

양자역학적으로 모든 힘은 입자로 생각할 수 있기 때문에 포논은 떨림이라는 힘을 표현한 양자적 입자인 것이다. 

금속에 전압을 주면 전자가 흐른다. 하지만 저자의 말처럼 이 흐른다는 건 금속결정 내에서 이리저리 부딪혀가면서 확산하는 것이다.

그래서 금속 내에서 전자가 흐르는 속도는 생각보다 느리다.

이 연구는 특정한 금속결정구조에서 전자와 포논이 강하게 상호작용을 하고

강한 상호작용으로 전자가 금속내에서 물처럼 흐르게 되는 것이다.

물처럼 흐른다는 건 입자로 흐르는게 아니라 연속적인 유체로 흐르게 된다는 것이다.

그럼 뭐가 좋은가? 실험결과처럼 일단 저항이 적다. 이리저리 부딪히며 흐르는 거보다 물처럼 흘러가는게 덜 부딪힐 것이다.

이 금속에선 같은 전압에서 더 많은 전류가 흐를 것이고 반도체 패키징에 응용하면 더 작은 작동전압으로 훨씬 빠른 반도체를 만들 수도 있을 것이다. (애초에 초전도체이니까...)

초전도체는 물리학자의 무덤이라던 어느 교수님의 한탄이 기억난다.

이론물리학자의 예측이 이렇게 실험으로 증명되면 어떤 기분일까? 아인슈타인처럼 당연히 그런건데 왜 좋아하는거지? 이런 반응이려나...

 

 

기사출처 : https://phys.org/news/2021-09-reveal-metal-electrons-fluid-like-dynamics.html

Researchers reveal a novel metal where electrons flow with fluid-like dynamics

논문정보 : https://www.nature.com/articles/s41467-021-25547-x

Evidence of a coupled electron-phonon liquid in NbGe2 - Nature Communications

번역 : 나