[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 야니스 세메르치디스 카이스트 물리학과 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS) 산하 액시온 및 극한상호작용 연구단(이하 CAPP)과 협력해 ‘메타물질’을 이용, 암흑 물질인 액시온의 탐색 범위를 효율적으로 확장할 방법을 구현했다고 밝혔다. 

메타물질은 아직 자연에서 발견되지 않은 특성을 가지도록 인공적으로 설계한 물질을 뜻한다. 

암흑 물질은 질량은 있으나 관측이 불가능한 미지의 물질이다. 이는 우주 전체 에너지의 약 27% 정도를 차지하고 있다.

한편 입자물리학에서는 현재의 우주를 물질이 반물질보다 압도적으로 우세한 불균형 및 대칭성의 ‘깨짐’으로 설명하고 있다. 

이 때 액시온은 강한 상호작용에서 발생하는 특정 대칭 불균형과 관련된 문제를 해결해 줄 수 있는 가상의 입자다. 이를 대칭성이 깨져있을 거라는 이론적 예측과 해당 대칭성이 보존되는 것처럼 보인다는 실험적 관측 사이의 차이를 해결할 수 있다. 

암흑 물질 액시온은 고유한 진동 주파수에 맞는 공진기를 통해 탐색할 수 있다. 최근에는 민감한 실험들이 다루고 있는 영역보다 더 높은 주파수대에서 탐색이 필요하다는 관측이 나오면서 고주파 탐색의 필요성이 대두됐다. 이러한 상황에서 다양한 공진기들이 개발됐으나, 고차 공명 모드를 효과적으로 튜닝할 방법은 아직 부족한 실정이다.

이에 연구팀은 음팽창 메타물질 구조를 활용해 회전 운동을 2차원 팽창 및 수축 운동으로 전환하는 새로운 튜닝 메커니즘을 개발했다. 키리가미(kirigami)라는 종이접기 및 자르기 방식에서 영감을 얻은 음팽창 메타물질 구조체는 특유의 결합 배열 갖추고 있다. 한쪽 면에 팽창·수축하는 힘이 가해질 때 다른 면도 함께 팽창·수축하는 특성을 갖는다.

이러한 성질을 이용하면 구조체의 중심이 회전할 때 전체 구조가 팽창하거나 수축하는 움직임으로 변환된다. 이를 통해 간단한 1차원 회전 움직임을 더 복잡한 2차원 움직임으로 확장할 수 있는 구조가 만들어진다.

여기에 저온 환경에서 음팽창 구조체의 효율적인 움직임을 위해 기어 구조를 도입해 힘을 보강했다. 이를 통해 극저온 환경에서도 최소한의 힘과 열 발생으로 구조체를 효과적으로 구동하며 주파수를 조정할 수 있었다.

연구팀은 육각 음팽창 구조를 유전체 튜닝 구조체로 고려하고, 이를 공진기의 적용해 주파수를 효과적으로 조정할 수 있음을 확인했다. 나아가 이 공진기를 극저온으로 냉각한 상태에서 9T자기장을 인가해 실제 액시온 검출 실험을 수행했고, 민감도를 기존 대비 2배 향상시켰다. 

 제1 저자인 배성재 카이스트 박사과정 학생은 “이 결과는 고차 공명모드를 실용적으로 활용할 수 있는 튜닝 메커니즘의 입증을 통해 고주파 액시온 탐색에 새로운 방향을 제시한 것”이라 설명했다. 공동 제1 저자인 정준우 IBS 박사후연구원은 “이를 통해 궁극적으로 액시온 암흑 물질의 비밀을 풀기 위해 보다 포괄적이고 효과적인 탐색 전략의 돌파구를 마련했다”라고 덧붙였다.