전자의 신비로움

우리 몸을 구성하는 물질은 아주 작은 원자로 이루어져 있고 원자는 원자핵과 여러 전자로 구성되어 있습니다. 따라서 물질로 구성된 우리는 많은 전자로 만들어집니다.

모든 물질은 더 이상 분할할 수 없는 입자인 '소립자'로 만들어진 것으로 추정됩니다. 전자는 최초로 발견된 소립자로 19세기 말부터 20세기 초에 걸쳐 다양한 실험을 통해 전자의 성격이 밝혀졌습니다. 작은 질량을 가지고 마이너스의 전하를 가지고 있으며 '스핀'이라는 이상한 성질을 가지고 있다는 사실도 알게 되었습니다. 20세기 중반 즈음 물질 중의 전자의 운동에 대해서도 많은 것이 밝혀졌습니다. 예를 들어 물질은 전기가 흐르는 '금속', 흐르지 않는 '절연체', 그 중간에서 약간 전기가 흐르는 '반도체'로 나뉩니다. 이러한 물질에서의 전자의 운동은 '밴드이론'이라고 불리는 고체전자론으로 매우 잘 이해할 수 있게 되었습니다. 그 이론에 따르면 전자는 물결처럼 운동하면서 물질 속을 돌아다닐 수 있다고 생각합니다. 하나의 전자에 주목하면 그 전자는 주위의 플러스 전하를 가지는 원자핵이나 마이너스 전하를 가지는 다른 전자의 영향을 받으면서 운동합니다. 또 다른 전자에 주목하면 이전 전자와는 다른 장소에 있기 때문에 주위의 원자핵이나 전자로부터의 영향이 달라집니다. 그렇지만 이 이론에서는 주위의 원자핵이나 다른 전자로부터의 영향을 어쨌든 평균화해 모든 전자는 완전히 같은 환경 하에서 운동하고 있다고 취급하는 근사(평균장 근사)를 했습니다. 이것이 밴드이론의 대담하고 훌륭한 점입니다. 이 이론은 대성공을 거두었고 물질 대부분의 전자기적 성질을 설명할 수 있었습니다. 밴드이론은 고체물리학의 기초 중의 기초이며 지금도 전자재료와 자성재료를 만들기 위한 견고한 이론적 기초를 제공합니다.

그러나 1970년대 즈음이 되면 이 이론으로는 설명할 수 없는 현상을 나타내는 물질군이 차례로 발견됩니다. 무거운 전자계라고 불리는 금속적 물질그룹도 그 중 하나입니다. 그 이름에서 알 수 있듯이 전자가 그 물질 안에서 매우 무거워집니다. 통상의 전자에 비해 1,000배 이상이나 무거워지는 물질도 발견되었습니다. 이 무거운 전자는 신기한 전자기 상태를 창출하기 때문에 크게 주목을 끌었습니다. 특히 지금까지 관측된 적이 없는 새로운 초전도 상태가 저온에서 발견되어 지금도 활발하게 연구가 진행되고 있습니다. 그럼 왜 그렇게 무거워질까? 근본 원인은 음전하를 가진 전자 사이에서 작용하는 강한 전기적 척력에 있습니다. 이러한 물질군은 전자간에 강한 상관이 있다 하여 '강상관 전자계'라고 불립니다. 전자 사이에 강한 상관관계가 있으면 전자는 자유롭게 움직일 수 없습니다. 전자가 움직이려고 하면 다른 전자와 마주쳐 강한 척력을 느끼게 되고 구속되어 버리기 때문입니다. 이렇게 되면 전자는 원자의 껍질 속에 갇힌 형태가 됩니다. 이러한 상황을 전자가 국재하고 있다고 표현하며 전자의 이미지는 파동이라기보다는 입자에 가깝습니다.

물결처럼 자유롭게 돌아다니고 있던 전자(편력전자)가 전자간의 강한 전기적 힘으로 국재상태(국재전자)에 가까워졌을 때 전자가 가진 다른 면이 떠오릅니다. 그것은 스핀이라고 불리는 전자의 성질로 물질 중에 자석과 같은 상태를 만들어냅니다. 이러한 물질군의 또 다른 대표선수가 1986년에 발견된 구리산화물 고온 초전도체입니다. 이 초전도체는 구리원자와 산소원자 등의 흔한 원자로 이루어져 있지만 액체 질소 온도(-196℃)보다 높은 온도에서 전기저항이 제로(초전도 상태)가 됩니다. 현재의 물성물리학의 연구의 흐름은 이 발견으로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닙니다. 전자가 국재한 구리산화물이라는 자성 절연체로부터 일부의 전자를 빼내면 남은 전자는 조금 움직이기 쉬워집니다. 이 어떻게든 움직일 수 있는 전자가 '고온'에서의 초전도 상태를 창조한 것입니다. 현재도 이 초전도 발현원리의 연구는 활발히 행해지고 있지만 적어도 전자스핀의 변동이 중요한 역할을 하고 있다는 점은 틀림없습니다.

전자의 국재성이 높아지면 전자는 또 다른 얼굴을 드러냅니다. 그것은 '궤도'라는 성질입니다. 전자가 원자핵 주위에 국한될 때 다양한 형태의 궤도에 들어가는 것으로 알려져 있습니다. 그 때 '어느 궤도에 들어갈 것인가'라는 자유도가 생깁니다. 전자가 가득 채워진 물질은 스핀이 갖추어지면 자석이라는 성질을 나타내듯이 궤도라는 전자의 형태가 갖추어지면 신기한 성질을 보이게 됩니다. 스핀과 궤도라는 두 가지 얼굴을 가진 전자계로 최근 대히트한 물질군은 2008년 도쿄공업대학의 호소노 히데오 교수가 발견한 철계 고온 초전도체입니다. 구리산화물 고온 초전도체 때와 마찬가지로 이 철계 화합물의 전자농도를 조금 바꾸어 전자를 조금만 움직이기 쉽게 하면 이것 또한 높은 온도에서 초전도 상태가 출현한다는 것입니다. 초전도와 궁합이 나쁘다고 여겨져 온 철이 고온 초전도체가 되었기 때문에 큰 화제가 되었습니다. 그러나 이 계의 정말 재미있는 점은 전자스핀의 흔들림 뿐만이 아니라 전자궤도의 흔들림이 초전도 상태의 형성에 영향을 미친 것으로 생각되는 부분입니다.

이와 같이 전자의 국재와 편력의 틈에는 전자가 가지는 전하·스핀·궤도라는 3개의 얼굴이 나타나 생각하지 못한 다채로운 물성이 창발하는 강상관 전자계는 새로운 물성의 금광일뿐만 아니라 그 물성을 이용한 재료개발의 보고이기도 합니다. 초전도 외에도 거대 자기저항이나 멀티페로익스(Multiferroics) 등 전자재료, 자성재료 개발에 필수적 현상이 넘칩니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電子の不思議　〜遍歴と局在の狭間で〜
https://www.kek.jp/ja/newsroom/2020/06/22/1012/