과학자들은 특정 방향으로 이동할 때는 질량이 있고, 다른 방향으로 이동할 때는 질량이 없는 입자를 우연히 발견했습니다. 이 입자는 ‘세미-디랙 페르미온(Semi-Dirac Fermion)’으로 불리며, 이러한 기이한 행동은 16년 전에 이론적으로 예측된 바 있습니다.
“우리는 전혀 예상하지 못했습니다,” 라고 연구를 이끈 샤오 인밍(Yinming Shao) 박사는 밝혔습니다. “처음에는 세미-디랙 페르미온을 찾으려던 것이 아니었는데, 우리가 다루던 물질에서 이해할 수 없는 신호를 발견했습니다. 결과적으로 우리는 이 입자를 최초로 관찰한 셈입니다. 이 입자들은 어떤 때는 질량이 있는 것처럼 움직이다가도, 어떤 때는 질량이 없는 것처럼 움직입니다.”
이러한 현상은 불가능해 보이지만, 사실은 물리학의 유명한 공식인 E=mc²로 설명할 수 있습니다. 이 공식은 입자의 에너지(E)와 질량(m), 그리고 빛의 속도(c)의 제곱 사이의 관계를 나타냅니다.
아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 질량이 있는 물체는 빛의 속도에 도달할 수 없습니다. 그 속도에 도달하려면 무한한 양의 에너지가 필요하기 때문입니다. 그러나 이 논리를 반대로 적용하면, 빛의 속도로 이동하는 질량 없는 입자가 속도를 줄이면 질량이 생기게 됩니다.
이번 발견이 바로 이러한 원리를 보여줍니다. 준입자(quasiparticle)들이 ZrSiS 결정체 내부의 특정 방향으로 이동할 때는 빛의 속도로 움직이며 질량이 없습니다. 그러나 다른 방향으로 이동하려고 시도하면 저항을 받아 속도가 줄어들고 질량이 생깁니다.
“입자를 미니어처 기차라고 상상해 보세요. 이 기차는 물질 내부의 전자 구조라는 선로를 따라 움직입니다,” 라고 샤오 박사는 설명했습니다. “특정 지점에서는 선로가 교차하기 때문에 기차가 빠른 선로를 따라 빛의 속도로 움직이다가 교차 지점에 도달하면 수직 선로로 전환해야 합니다. 이때 저항이 발생하고 질량이 생깁니다. 입자는 이동 방향에 따라 에너지 상태가 변하거나 질량을 갖게 되는 것입니다.”
연구팀은 원래 ZrSiS 물질에서 전자가 빛에 어떻게 반응하는지를 관찰하며 양자 상호작용을 연구하고자 했습니다. 실험 도중 자기장의 강도가 증가함에 따라 전자의 에너지 수준이 예상치 못한 패턴을 따르는 것을 발견했으며, 이는 세미-디랙 페르미온의 주요 특성을 입증하는 증거였습니다.
이 발견은 현재로서는 고도의 물리학적 개념이지만, 연구팀은 ZrSiS 물질이 결국 그래핀(Graphene)과 유사한 다양한 응용 가능성을 열어줄 수 있다고 기대하고 있습니다.
“ZrSiS는 층상 구조를 갖고 있어 이 화합물을 단층으로 자르는 방법을 알아낸다면 세미-디랙 페르미온의 특성을 그래핀처럼 정밀하게 제어할 수 있습니다,” 라고 샤오 박사는 강조했습니다. “그러나 이번 실험에서 가장 흥미로운 점은 현재 데이터를 완전히 설명할 수 없다는 것입니다. 우리가 관찰한 현상에는 아직 해결되지 않은 수많은 미스터리가 존재하며, 이를 밝히는 것이 우리의 다음 과제입니다.”
