결정 대칭성으로 수소 양자 터널링 제어 가능성 실증

연구 배경: 수소 터널링, 왜 제어가 어려웠나

수소 원자의 양자 터널링은 물리·화학·생물학적 과정 전반에 걸쳐 중요한 역할을 하는 현상이다. 그러나 수소는 기존 실험 기법으로 소재 내부를 직접 관찰하기 어려운 원소여서, 터널링이 실제로 어떻게 일어나는지 실험적 증거를 확보하기가 쉽지 않았다. 도쿄대 산업과학연구소의 후쿠타니 가쓰유키 교수 연구팀은 이 한계를 극복하고자 두 가지 상호보완적 측정법을 결합하는 방식을 택했다.

실험 설계: 바나듐과 두 가지 측정법

연구팀은 수소 저장 모델 소재로 바나듐을 선택하고, 극저온 환경에서 수소 원자의 이동 양상을 관찰했다. 핵반응 분석법으로 수소의 깊이별 분포를 고분해능으로 직접 측정하는 한편, 전기 저항 변화를 통해 수소의 재분포 과정을 시간 경과에 따라 추적했다. 이를 통해 광범위한 온도 범위에서 수소의 확산 계수를 산출하고, 양자역학적 계산과 대조해 해석했다.

핵심 발견: α상과 β상의 대조적 거동

약 70 K 부근에서 수소 원자는 바나듐 결정 격자 내 침입형 자리를 오가며 이동을 시작한다. 수소 농도가 낮을 때는 대칭성이 높은 α상 바나듐 구조가 유지되며, 이 환경에서 수소의 기저 상태는 사면체 자리 전반에 걸쳐 비국소화(delocalized)되어 인접 자리 간 터널링이 원활하게 일어난다.

반면 수소 농도가 높아지면 결정 격자가 변형되어 β상으로 전환된다. 이때 단축 변형(uniaxial strain)이 발생해 수소의 양자 상태가 특정 Oz 자리 주변으로 국소화(localized)되며, 인접 자리로 이동하려면 148 meV의 에너지 장벽을 넘어야 한다. 대칭성이 낮아진 환경에서는 터널링이 사실상 억제되고, 고전적 열 활성화 과정이 지배적이 되는 것이다.

의미와 응용 가능성

이번 연구가 제시하는 핵심 개념은 '결정 대칭성'을 수소 양자 거동의 제어 변수로 활용할 수 있다는 점이다. 외부 변형(strain)을 가해 결정 대칭성을 조절하면, 수소 투과성과 저장 특성을 능동적으로 조율할 수 있다는 함의를 갖는다. 연구팀은 이 원리가 수소 저장 외에 촉매 반응 제어에도 적용될 수 있다고 전망한다.

한계와 향후 과제

현재 연구는 바나듐이라는 단일 모델 소재에 한정되어 있다. 연구팀은 향후 금속 합금과 산화물 소재로 대상을 확장해, 국소 원자 구조와 결정 대칭성이 수소의 양자 거동을 지배하는 방식을 기술하는 보편적 이론 체계 수립을 목표로 하고 있다. 해당 연구 결과는 학술지 Nature Communications에 게재됐다.