신체 크기를 자유자재로 변형시키는 능력을 갖춘 주인공이 거시와 미시세계를 넘나드는 이야기를 담은 SF영화인 '앤트맨'의 세계관 실현과 관련된 연구 결과가 나왔다.

27일 기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단 박혁규·쯔비 틀러스티(UNIST 교수) 연구진은 우리 눈에 보이는 거시세계 물질에서 입자들이 짝을 지어 움직이는 현상을 실험·이론을 통해 발견했다고 밝혔다.

지금까지 이 같은 현상은 양자역학이 적용되는 미시세계에서만 일어난다고 여겨졌다.

이 연구 결과는 미시세계에서 관측된 여러 가지 특이한 양자역학적 현상이 거시세계에서도 있을 수 있음을 암시한다고 연구진은 설명했다.

▲ 유체역학적 포논 준입자.

연구진은 아주 얇은 두께의 미세유체 채널(2개의 얇은 판 사이로 액체가 흐르는 것)에서 콜로이드 입자들로 이뤄진 입자계에 주목했다. 콜로이드는 1나노미터(㎚, 10억분의 1ｍ)보다는 크고 1 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1m)보다 작은 미세 입자다.

우리 눈에 흰색 액체로 보이는 '우유'는 실제로는 투명한 물에 지방, 단백질, 칼슘 등 콜로이드가 떠다니는 형태로 이뤄져 있다.

연구진은 채널 두께가 입자 크기와 비슷한 2차원 입자계에서 액체보다 천천히 움직이는 입자가 가까이 위치한 다른 입자에 영향을 미쳐 입자들이 짝을 짓는 것을 발견했다.

마치 물속에서 눈을 감고 있어도 가까운 거리에서 지나가는 사람이 일으키는 액체 흐름을 느낄 수 있는 것과 같이 한 입자가 다른 입자 움직임에 따라 유체역학적 힘을 받기 때문이라고 연구진은 전했다.

박혁규 연구위원은 입자들이 짝을 짓는 이유가 "유체역학적 상호작용에 따른 두 입자 간 힘이 작용 반작용의 법칙인 뉴턴 제3법칙을 깨기 때문"이라며 "두 입자가 받는 유체역학적 힘의 크기와 방향이 같아 쌍을 지어 한 입자처럼 움직인다"고 설명했다.

연구진은 입자가 쌍을 이뤄 움직이는 현상뿐만 아니라 유체역학적 포논(고체 안에서 소리를 전달하는 입자)도 존재하는 것을 실험으로 확인했고, 우리 눈에 보이는 입자 결정에서 양자물질에서만 관측되던 플랫밴드도 발견했다.

플랫밴드는 전자들이 국소적으로 밀집돼 매우 무거운 질량을 가진 것처럼 행동하는 준입자가 형성하는 에너지띠의 특정구조를 의미한다.

기존 과학계에서는 거시세계에서 전자와 같은 구성 입자들이 끊임없이 충돌하기 때문에 준입자가 존재할 수 없다고 생각했다.

박 위원은 "이 연구 결과는 양자역학으로만 설명되는 여러 가지 현상이 고체뿐만 아니라 생명 물질에서도 일어날 수 있음을 암시한다"며 "우리 눈에 보이는 다른 물질에서도 준입자들을 발견하고 이를 이용한 새로운 과학기술이 일어나기를 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 이날 '네이처 피직스'(Nature Physics)에 온라인 게재됐다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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