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대기압에서 '저항 0', 초전도 현상 보이는 소재 발견

새로운 위상물질 탐색 및 양자컴퓨터 연구에 활용 기대

(서울=뉴스1) 김승준 기자 | 2021-07-12 11:39 송고 | 2021-07-12 17:47 최종수정
새롭게 합성한 KZnBi 단결정 (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1
새롭게 합성한 KZnBi 단결정 (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1

극한의 압력 조건 없이, 대기압에서 저항이 0이 되는 새로운 소자가 발견됐다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단의 김성웅 연구위원(성균관대 교수)과 송준성 박사후연구원은 한국과학기술원, 와이즈만연구소 등 국제공동연구진과 함께 평상시 대기압(상압)에서 표면 초전도 현상을 보이는 새로운 소재를 발견했다고 12일 밝혔다.

연구진이 발견한 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi)는 평상시 대기압 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르는 초전도성을 보였다. 초전도성이 나타나는 온도 구간은 0K~0.85K(섭씨 -273.15도~-272.3도)다.

초전도체는 양자컴퓨터 구현에 활용될 수 있다. 다만 극저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도상태 또는 진공상태 등 까다로운 제작조건이 걸림돌이다.

위상물리에서 발현되는 초전도 특성은 양자컴퓨터를 구현할 수 있다고 여겨지지만, 이러한 특성을 보이는 물질은 극소수다. 위상물리는 물질의 위상적 특성과 전자의 거동과 같은 물성의 관계를 연구하는 분야로 특이한 물리적 특성을 보이는 경우가 많아, 새로운 소자를 찾으려는 연구자들의 연구가 이어지고 있다.

그중 삼차원 위상 디락 반금속은 물질의 대칭 붕괴를 통해 초전도 등 다양한 물리현상을 보일 것으로 기대받고 있지만, 상압에서 나타나는 초전도 특성이 관측된 적은 없다. 삼차원 위상 디락 반금속은 질량이 거의 없고 빛에 가까운 속도로 이동하는 '디락 입자'가 삼차원 운동량 공간에 존재하는 물질로, 그래핀의 삼차원 유사체로 알려졌다.

연구진은 디락 입자가 존재하는 2차원 물질인 그래핀의 평면 벌집 구조에 착안해 층상으로 쌓아올린 3차원 평면 벌집 구조 물질 KZnBi 합성에 성공했다. 그리고 이 물질을 이용해 분광 실험 및 이론 계산을 통해 전자구조가 디락 입자의 특성을 보일 수 있는 것을 보였다. 나아가 KZnBi의 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남도 확인했다. 임계 자기장 측정을 통해 KZnBi 표면에 기존의 초전도체와는 다른 초전도 특성을 보이는 것을 발견했다.

신규 삼차원 위상 디락 반금속 물질인 KZnBi의 결정구조 모식도 (아래)와 디락 입자 특성을 보이는 전자구조 (위) (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1
신규 삼차원 위상 디락 반금속 물질인 KZnBi의 결정구조 모식도 (아래)와 디락 입자 특성을 보이는 전자구조 (위) (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1

지금까지 발견된 삼차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다. 이번 연구는 보통 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 0이 되는 물질인 KZnBi를 발견했다는 데 의의가 있다. 해당 소재는 새로운 위상물질 탐색과 양자컴퓨터 연구에 필수적인 위상물질 기반 기술 개발에 응용될 것으로 기대된다.

김성웅 연구위원은 "디락 물질로 대표되는 2차원 그래핀 소재 형성 원리를 응용하여 기존에 전혀 예측하지 못했던 물질을 발견했다"며 "기존 연구의 한계를 뛰어넘은 새로운 양자 물질 발견으로, 앞으로 위상 초전도체와 양자컴퓨터 연구에 새로운 방향성을 제시할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 물리 분야 학술지 '피지컬 리뷰 엑스'(Physical Review X)에 6월28일자로 게재됐다.

KZnBi의 초전도 현상 (왼쪽) 과 임계 자기장 측정을 통해 일반적인 초전도체 (s-wave)와는 다른 특이한 초전도 현상 확인(오른쪽). S1,2,3,4는 시료(Sample) 1,2,3,4며, 오른 쪽 그래프에서 p-wave를 따라감을 확인할 수 있다. (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1
KZnBi의 초전도 현상 (왼쪽) 과 임계 자기장 측정을 통해 일반적인 초전도체 (s-wave)와는 다른 특이한 초전도 현상 확인(오른쪽). S1,2,3,4는 시료(Sample) 1,2,3,4며, 오른 쪽 그래프에서 p-wave를 따라감을 확인할 수 있다. (기초과학연구원 제공) 2021.07.12 /뉴스1



seungjun241@news1.kr

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