A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

수 세기 동안 과학자들은 고체 세계가 원자, 즉 반복되는 패턴을 가진 결정을 형성하기 위해 서로 연결되는 아주 작은 입자들로 구축되어 있다는 점을 이해해 왔습니다. 이러한 패턴 속에서 원자들은 너무 작고 매우 빠르게 움직이기 때문에, 결정이 형성되는 과정을 관찰하는 것은 폭풍 속에서 떨어지는 단 한 방의 빗방울을 관찰하려고 노력하는 것과 같습니다. 즉, 그 과정은 눈으로 보기에는 너무 빠르게 일어납니다. 결정이 어떻게 성장하는지 이해하기 위해, 연구자들은 오랫동안 원자처럼 작동하면서도 관찰할 수 있을 만큼 느리게 움직이는 더 큰 건축물을 사용하는 것을 상상해 왔습니다. 그들은 이 더 큰 블록들을 "슈퍼원자(superatoms)"라고 부릅니다. 이것들은 단일 원자가 아니라, 여러 원자가 매우 단단하게 결합하여 자신만의 전자적 개성을 가진 하나의 더 큰 단위처럼 행동하는 정밀한 클러스터입니다. 과제는 이 슈퍼원자들이 단순히 느슨하게 떠다니거나 부서지지 않고, 실제 결정을 형성할 수 있을 만큼 서로 강력하게 달라붙게 만드는 것이었습니다.

한 연구팀은 이제 이 슈퍼원자들로만 이루어진 평면적인 2차원 결정을 만드는 데 성공했으며, 처음으로 이 건축물들이 움직이고, 결합하고, 스스로를 복구하는 모습을 실시간으로 관了했습니다. 과학자들은 팔라듐과 셀레늄으로 구성된 클러스터, 구체적으로는 6개의 팔라듐 원자가 20개 또는 21개의 셀레늄으로 둘러싸인 그룹을 연구했습니다. 이 클러스터들은 단일 원자에 비해 거대하며, 수소 원자보다 2,000배 이상 무겁습니다. 이들은 매우 무겁기 때문에 일반적인 원자보다 훨씬 느리게 움직이며, 덕분에 연구진은 강력한 전자 현미경을 사용하여 이들의 조립 과정을 촬영할 수 있었습니다. 연구팀은 이 클러스터들이 단순히 옆에 놓여 있는 것이 아니라, 금속 내의 원자들을 결합하는 화학 결합과 유사한 강도로 결합하여 안정적이고 반복적인 격자를 형성한다는 것을 발견했습니다.

연구진은 먼저 팔라듐과 셀레늄의 적절한 혼합물을 포함하는 비정질(무질서한) 물질의 얇은 막을 만들었습니다. 가열 과정 중에 셀레늄 원자를 잃는 것을 방지하기 위해, 그들은 이 막을 탄소 원자 한 층으로 이루어진 물질인 그래핀 두 층 사이에 샌드위치처럼 끼워 넣었습니다. 그런 다음 저출력 레이저를 사용하여 이 샌드위치의 작은 지점을 부드럽게 가열했고, 이로 인해 무질서했던 물질이 슈퍼원자 구조로 결정화되었습니다. 고해解 현미경으로 그 결과를 관찰했을 때, 연구진은 밝은 점들이 완벽한 격자를 이루고 있는 것을 보았습니다. 각 점은 단 하나의 슈퍼원자 클러스터를 나타냈습니다. 점들의 밝기와 배열을 분석함으로써, 연구팀은 클러스터들이 마치 바닥의 타일처럼 특정하고 반복적인 패턴으로 배열되어 있으며, 각 단위 사이의 간격은 약 8.64 옹스트롬임을 확인했습니다.

이 결정 내부에서 슈퍼원자들은 모두 동일하지 않습니다. 연구진은 중심부가 비어 있는 유형과 중심을 셀레늄 원자가 채우고 있는 유형의 두 가지 주요 클러스터를 발견했습니다. 이러한 내부적 차이에도 불구하고, 이들은 강력하게 결합합니다. 인접한 클러스터 가장자리 사이의 거리는 약 3.50 옹스트롬인데, 이는 이들이 약하고 수동적인 힘에 의해 유지되기에는 너무 작으면서도, 표준적인 원자 결합이 되기에는 너무 큰 간격입니다. 계산에 따르면 클러스터들은 화학적 결합과 더 약한 힘의 혼합에 의해 결합되어 있으며, 이 결합 에너지는 결정을 온전하게 유지할 만큼 충분히 강합니다. 이러한 결합은 이 물질에 금속적 특성을 부여하는데, 이는 이 물질이 반도체로 작하는 벌크 버전과는 중요한 차이점입니다.

이 발견을 진정으로 독특하게 만드는 것은 결정을 성장시키고 치유하는 과정을 관찰할 수 있는 능력입니다. 슈퍼원자들이 매우 크기 때문에, 이들의 움직임은 영상으로 포착할 수 있을 만큼 느립니다. 연구진은 개별 클러스터가 집단에서 떨어져 나와 표면을 배회하다가 다시 부착되는 과정을 관찰했습니다. 또한 작은 클러스터 그룹이 더 큰 결정에 접근하여, 정렬을 위해 회전한 뒤 딱 들어맞으며 한 번에 한 블록씩 결정을 성장시키는 모습도 지켜보았습니다. 일반적인 원자들에게는 수 분의 1초 만에 일어나는 이 과정은 이 시스템에서는 몇 초에 걸쳐 일어나므로, 과학자들이 핵 생성과 성장의 정확한 단계를 볼 수 있게 해줍니다.

연구팀은 또한 이 슈퍼원자 결정들이 일반적인 결정들과 동일한 결함이 있다는 것을 관찰했습니다. 그들은 클러스터가 빠진 빈 공간, 패턴이 어긋난 선, 그리고 두 개의 서로 다른 결정 영역이 만나는 경계면을 발견했습니다. 연구진이 전자 빔에 물질을 장시간 노출했을 때, 이 경계면들이 치유되는 과정을 지켜보았습니다. 두 개의 별개 결정 알갱이가 회전하여 하나의 더 큰 알갱이로 병합되었고, 원래의 경계 흔적은 희미하게만 남았습니다. 이처럼 기초적인 건축물 수준에서 결정의 탄생, 성장, 그리고 복구를 관찰할 수 있는 능력은 고체 물질이 어떻게 형성되는지에 대한 물리학을 들여다볼 수 있는 드문 창을 제공합니다. 이 과정을 인간이 볼 수 있는 규모로 늦춤으로써, 연구진은 이 특정 클러스터뿐만 아니라 우리 주변 세계를 구성하는 원자 결정에 대해서도 과학자들이 근본적인 결정화의 규칙을 이해하는 데 도움이 될 모델 시스템을 만들어냈습니다.