과학계가 술렁이고 있다. 마치 SF 영화에서나 나올 법한, 한 쪽 방향으로는 질량이 전혀 없지만 다른 한 쪽으로는 질량을 가진 기묘한 입자가 발견되었기 때문이다. '세미－디랙 페르미온(semi-Dirac fermions)'이라 불리는 이 준입자는 16년전 이론적으로 예측되었지만, 실제 물질에서 관측된 것은 이번이 처음이다. 이 획기적인 발견은 배터리, 센서 등 첨단 기술에 혁명적인 변화를 가져올 수 있다는 기대를 모으고 있다. 

우연에서 탄생한 획기적 발견

이번 발견은 미국 펜실베이니아주립대학교(Penn State)와 컬럼비아대학교(Columbia University) 연구팀이 플로리다 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)에서 수행한 실험 중 이루어졌다. 연구진은 지르코늄 실리사이드 설파이드(ZrSiS)라는 반금속 결정체를 -452℉(-269℃)로 냉각시키고 지구 자기장보다 90만 배 강력한 자기장을 적용해 광학적 반응을 조사하던 중 예상치 못한 신호를 관찰했다.

연구 논문의 주저자인 샤오 인밍(Yinming Shao) 펜실베이니아주립대학교 물리학 조교수는 "처음에는 우리가 무엇을 보고 있는지 몰랐다. 세미－디랙 페르미온을 찾으려던 것도 아니었다. 그런데 이해할 수 없는 신호를 발견했고, 결과적으로 이론적으로만 존재하던 준입자를 최초로 관찰하게 된 것"이라고 말했다.

플로리다 국립 고자기장 연구소의 하이브리드 자석은 세계에서 가장 강력한 지속형 자기장을 생성하는 데, 지구 자기장보다 약 90만배 강하다. 이 자기장은 너무 강해서 물방울과 같은 작은 물체를 공중에 띄울 수 있다. 

연구진은 ZrSiS 결정체가 예상 밖의 특성을 보여준다고 강조했다. 그들은 "우리가 관찰한 신호는 기존의 준입자나 전자 행동과 완전히 다른 것이었다. 이는 물질 내 전자 구조가 상호작용하는 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다"고 설명했다.

입자의 에너지가 전적으로 운동에서 비롯된 경우, 즉 본질적으로 빛의 속도로 이동하는 순수한 에너지인 경우 입자는 질량을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어 광자나 빛의 입자는 광속으로 움직이기 때문에 질량이 없는 것으로 간주된다. 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 물체는 질량을 가질 수 없다. 고체 물질에서는 준입자(quasiparticles)라고도 하는 많은 입자의 집단적 행동이 개별 입자와 다른 행동을 보일 수 있으며, 이 경우 한 방향으로만 질량을 갖는 입자가 발생한다고 샤오는 설명했다. 

샤오는 "어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물질 내부의 전자 레벨이 란다우 준위(Landau levels)라는 불연속 레벨로 양자화된다"고 설명했다. 이 레벨은 마치 계단을 오를 때 중간에 작은 계단이 없는 것처럼 고정된 값만 가질 수 있다. 이 레벨 사이의 간격은 전자의 질량과 자기장의 세기에 따라 달라지므로 자기장이 증가하면 전자의 에너지 준위는 전적으로 질량에 따라 정해진 양만큼 증가해야 하지만 이 경우에는 그렇지 않다. 

즉, 세미－디랙 페르미온은 방향에 따라 질량이 존재하거나 사라지는 독특한 행동을 한다. 연구팀은 적외선을 비춰 반사된 빛의 신호를 분석하는 자기-광학 분광법(mganeto-optical spectroscopy)을 통해 이 현상을 확인했다. 전자의 에너지 상태가 특정 조건에서 기존 물질과는 전혀 다른 패턴을 보이며 이 준입자의 존재를 증명했다.

질행 행동성과 독특한 행동 '발견'

일반적인 입자는 모든 방향에서 질량을 갖지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서만 질량을 갖는다. 이는 결정체의 전자 구조와 깊은 관련이 있다. ZrSiS의 경우 층상 구조를 가지고 있어 전자가 특정 경로로는 질량 없는 상태로 이동하고, 교차점에서 질량을 얻는다. 연구진은 이를 마치 "기차가 선로를 따라 이동하다가 교차점에서 방향을 바꿀 때 갑자기 저항 받는 상황"에 비유했다.

샤오는 "이 물질은 독특한 전자 구조를 가지고 있어 기존 물리학 이론으로는 완전히 설명되지 않는 행동을 보인다. 이 때문에 우리가 연구를 계속해야 하는 이유이기도 하다"라고 말했다.

이 현장은 란다우 준위(Landau levels)로 알려진 전자의 에너지 단계에서 관찰됐다. 일반적으로 전자의 에너지 단계는 자기장 강도에 따라 증가하지만. ZrSiS에서는 세미－디랙 페르미온만이 보여주는 'B^(2/3) 법칙'을 따른 패턴이 발견됐다. 이는 기존의 물질에서는 볼 수 없는 독특한 특성이다. 

이러한 특징은 세미－디랙 페르미온이 지닌 독특한 에너지 분산 관계 때문이다. 그래핀의 전자와 같은 기존의 디렉 페르미온은 에너지가 운동량에 선형적으로 비례하지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서는 에너지가 운동량의 제곱에 비례한다. 이러한 차이가 란다우 준위에서 독특한 에너지 패턴을 만들어내는 것이다. 

란다우 준위는 자기장이 존재하는 2차원 전자 시스템에서 전자들이 특정 에너지 준위를 형성하는 양자역학적 현상을 말한다. 이 개념은 프랑스 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)가 1930년에 제안했다. 

세미-디랙 페르미온은 2008년과 2009년 프랑스 파리 쉬드 대학과 미국 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학자들을 포함한 여러 연구팀에 의해 처음으로 이론화됐다. 연구팀은 운동 방향에 따라 질량 이동 특성을 가진 준입자가 있을 수 있다고 예측했다. 즉, 한 방향으로는 무질량으로 보이지만 다른 방향으로는 질량이 있을 것으로 본 것이다.

과학과 기술의 개로운 가능성 제시

세미－디랙 페르미온의 발견은 단순한 이론 검증을 넘어, 첨단 기술로의 응용 가능성을 제시한다. 연구팀은 ZrSiS와 같은 층상 구조를 지닌 물질이 그래핀처럼 단일 층으로 분리될 경우, 전자 특성을 정밀하게 제아할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 새로운 이론적 모델을 필요로 하며, 앞으로의 연구가 이를 밝혀낼 것"이라고 덧붙였다.

이처럼 세미－디랙 페르미온은 전자의 이동성과 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이는 차세대 전자 소자 및 에너지 저장 장치 개발에 새로운 돌파구를 마련할 수 있음을 의미한다.

세미-디랙 페르미온 미래 연구와 방향성

세미－디랙 페르미온은 기존 물리학의 틀을 확장시키는 동시에 양자 연구에 새로운 방향성을 제시한다. 이번 발견은 물질 내 전자의 상호작용, 길량의 생성 및 소멸, 에너지 흐름에 대한 이해를 심화시키는 데 중요한 기여를 할 것으로 보인다. 또한 준입자의 행동과 특성을 기반으로 새로운 재료 과학과 응용 기술 개발의 가능성을 열었다.

이 연구는 학술지 '피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)'에 개재됐으며, 과학계는 앞으로 더 많은 실험과 이론적 분석을 통해 이 준입자의 비밀을 밝혀낼 것으로 기대하고 있다. 한 방향으로 질량 없는 빛의 속도로 움직이고, 다른 방향으로는 무거운 질량을 지니는 세미－디랙 페르미온. 이 입자의 발견은 물리할뿐만 아니라 인류의 기술적 진보에도 깊은 영향을 미칠 것으로 보인다.