성대, '멈춰 선 전자' 두 종류 첫 동시 발견…양자소자 설계 길 열었다

(서울=뉴스1) 김지현 기자 = 성균관대학교 연구팀이 금속 내 전자가 사실상 '멈춘 상태'에 이르는 두 가지 서로 다른 원리를 하나의 물질에서 동시에 구현하는 데 성공했다. 양자 물질 연구에서 핵심 난제로 꼽히던 전자 정체 현상의 상호작용을 규명한 성과로, 차세대 양자소자 설계의 새로운 방향을 제시했다는 평가다.

성균관대학교는 20일 물리학과 김영국·박두선·손병민 교수 연구팀이 경희대학교 장보규 교수팀과 공동으로 전자의 움직임이 극도로 느려지는 두 가지 메커니즘을 하나의 합금 물질에서 동시에 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀에 따르면 일반적으로 금속 속 전자는 빠르게 이동하며 전류를 형성하지만, 특정 조건에서는 움직임이 극도로 느려지는 '평평띠(flat band)' 상태가 나타난다. 이 경우 전자 간 상호작용이 커지면서 초전도 등 특이한 양자 현상이 발생할 수 있다.

그동안 학계에서는 전자를 느리게 만드는 대표적 방식으로 '카고메 격자' 구조에 의한 기하학적 가둠과, 자성을 띠는 원자와의 상호작용으로 전자가 무거워지는 ‘콘도 효과’를 각각 별개 현상으로 연구해왔다.

이번 연구에서는 'YbCr₆Ge₆' 합금을 분석한 결과, 카고메 격자에 따른 전자 가둠과 콘도 효과가 동시에 작용해 전자가 사실상 정지 상태에 가까워지는 현상이 한 물질에서 함께 나타나는 것을 세계 최초로 확인했다.

연구팀은 방사광 가속기를 활용한 정밀 분석과 온도 변화 실험을 통해 두 현상이 서로 다른 원리로 작동하면서도 긴밀히 연결돼 있음을 입증했다. 특히 두 효과가 결합될 경우 물질의 성질이 근본적으로 바뀌는 '위상학적 상태'가 형성된다는 점을 이론적으로도 규명했다.

손병민 교수는 "서로 독립적으로 연구되던 두 물리 현상을 하나의 시스템에서 동시에 구현한 것"이라며 "전자 움직임을 정밀하게 제어할 수 있게 되면 열 손실이 없는 컴퓨터나 초고속 양자소자 개발로 이어질 수 있다"고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

mine124@news1.kr