차세대 초전도체 개발 단서…전자들의 '숨은 질서' 확인

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 김용관·한명준·이성빈 교수 공동연구팀이 차세대 양자물질로 주목받는 카고메 금속(CsV3Sb5)에서 초전도가 나타나기 전 전자들이 먼저 '숨은 질서'를 형성한다는 사실을 실험과 이론을 통해 규명했다고 30일 밝혔다.

초전도는 두 개의 전자가 모종의 매개체로 묶여 쿠퍼쌍을 형성함으로써 발현되는 현상을 말한다. 이 같은 성질을 가진 물질인 초전도체는 전기저항이 없고 외부 자기장에 반자성을 띠어 에너지를 비롯한 교통, 산업 혁신을 부를 꿈의 물질로 꼽힌다. 그러나 상온·상압 초전도체 상용화는 난제로 남아 있다.

카고메 금속은 일본 전통 바구니 문양처럼 삼각형이 반복되는 원자 구조를 가진 물질이다. 독특한 구조에서는 전자들이 서로 강하게 영향을 주고받으면서 일반 금속에서는 보기 어려운 다양한 양자현상이 나타난다. 특히 카고메 금속은 초전도와 전하밀도파가 모두 나타나는 대표적인 물질로, 차세대 양자소재 연구의 핵심 플랫폼으로 꼽힌다.

그동안 세계 연구진은 이 물질에서 초전도가 나타나기 전 또 다른 숨은 전자 질서가 존재하는지를 두고 논쟁을 이어왔다. 일부 실험에서는 '시간반전대칭성 깨짐(시간을 되돌려도 같아 보이는 성질)' 흔적이 관측됐다. 하지만 이것이 전자들이 규칙적인 무늬를 만드는 전하밀도파가 생긴 뒤 나타나는 현상인지, 아니면 그보다 먼저 독립적으로 형성되는 숨은 전자 질서인지는 명확하지 않았다.

연구팀은 이 사실을 확인하기 위해 특별한 빛을 이용했다. 왼쪽으로 도는 빛과 오른쪽으로 도는 빛을 시료에 번갈아 비추고, 그때 물질 밖으로 튀어나오는 전자들의 움직임을 정밀하게 살펴봤다. 연구팀은 이 과정에서 실험 장치 때문에 생길 수 있는 잡음은 제거하고 물질 자체에서 나오는 신호만 골라냈다.

그 결과, 전자들이 규칙적인 무늬를 만드는 현상인 전하밀도파가 시작되는 온도 약 94K(영하 179도)보다 훨씬 높은 약 140~145K(영하 133도)에서 이미 전자들의 움직임에 방향성이 생긴다는 사실을 확인했다. 초전도가 시작되기 훨씬 전부터 전자들이 아무렇게나 움직이는 것이 아니라 작은 고리 모양으로 함께 돌며 숨은 질서를 만들고 있었다는 뜻이다.

연구팀은 온도를 낮추면서 전자들이 고리전류 질서, 전하밀도파, 초전도 순서로 변하는 과정을 확인했다. 이론 계산을 통해서도 실험 결과를 검증했는데, 실험에서 관측된 신호가 실제로 전자들이 작은 고리 모양으로 움직일 때 나타나는 특징과 잘 맞았다.

이번 연구는 앞으로 초전도가 왜 생기는지 더 깊이 이해하고, 더 높은 온도에서 작동하는 새로운 초전도체를 개발하는 데 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다.

연구팀은 "초전도가 나타나기 전 전자들이 어떻게 숨은 질서를 만드는지를 처음 보여준 연구로, 실험 결과가 이론 예측과 일치한다는 점이 핵심"이라며 "새로운 초전도 상태를 설계하는 중요한 실마리가 될 것"이라고 강조했다.

KAIST 물리학과 차재훈·이형근·심상준 연구원이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 물리학 분야 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 온라인 게재됐다.

연구는 우수연구-중견연구 및 가속기인력양성사업, 한국표준과학연구원, 미 공군과학연구소, 미국 에너지부 기초에너지과학실 등의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr