KAIST, 초전도 '숨은 질서' 규명…차세대 양자기술 실마리 찾았다

[이데일리 강민구 기자] 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 초전도가 시작되기 전 전자들이 먼저 ‘숨은 질서’를 만든다는 사실을 밝혀냈다. 이를 통해 초전도의 작동 원리를 더 이해하고, 차세대 초전도체와 양자기술 개발에 활용할 가능성을 제시했다.

KAIST는 김용관·한명준·이성빈 물리학과 교수 공동연구팀이 차세대 양자물질로 주목받는 카고메 금속에서 초전도가 나타나기 전 전자들이 먼저 ‘숨은 질서’를 형성한다는 사실을 실험과 이론을 통해 규명했다고 30일 밝혔다.

KAIST 연구진.(위에서 왼쪽부터)차재훈 박사, 이형근 박사 심상준 석사와 (아래에서 왼쪽부터)이성빈 교수, 한명준 교수, 김용관 교수.(사진=KAIST)

연구팀은 초전도가 시작되기 전 전자들이 먼저 질서를 갖춰 움직인다는 사실을 확인했다. 전자들이 규칙적인 무늬를 만들기 전부터 작은 고리 모양으로 함께 순환하며 ‘숨은 질서(고리전류 질서)’를 형성한다는 것이다. 초전도가 만들어지기 전 전자들이 어떤 준비 과정을 거치는지를 보여주는 중요한 실험 결과다.

카고메 금속은 일본 전통 바구니 문양인 ‘카고메’처럼 삼각형이 반복되는 원자 구조를 가진 물질이다. 독특한 구조에서 전자들이 서로 강하게 영향을 주고받으면서 일반 금속에서는 보기 어려운 다양한 양자현상이 나타난다.

그동안 세계 연구진은 이 물질에서 초전도가 나타나기 전에 또 다른 숨은 전자 질서가 존재하는지를 두고 논쟁을 이어왔다. 일부 실험에서는 시간반전대칭성이 깨진다는 흔적이 관측됐다. 하지만 이것이 전자들이 규칙적인 무늬를 만드는 전하밀도파가 생긴 뒤 나타나는 현상인지, 아니면 그보다 먼저 독립적으로 형성되는 숨은 전자 질서인지는 명확하지 않았다.

연구팀은 이를 확인하기 위해 왼쪽으로 도는 빛과 오른쪽으로 도는 빛을 시료에 번갈아 비추고, 그때 물질 밖으로 튀어나오는 전자들의 움직임을 분석했다.

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 전부터 작은 고리 모양으로 함께 돌며 숨은 질서를 만들고 있었다는 뜻이다.

연구팀은 온도를 낮추면서 전자들이 변하는 과정을 순서대로 확인했다. 전자들이 작은 고리 모양으로 함께 순환하는 고리전류 질서를 만든뒤 일정한 간격으로 모여 규칙적인 무늬를 이루는 전하밀도파를 형성했다. 이후 전기가 저항 없이 흐르는 초전도 상태에 도달하는 것으로 나타났다.

AI로 생성한 연구 이미지.(자료=KAIST)

연구팀은 이론 계산을 통해서도 실험 결과를 검증했다. 계산 결과, 실험에서 관측된 신호가 실제로 전자들이 작은 고리 모양으로 움직일 때 나타나는 특징과 잘 맞았다. 이번 결과가 실험 오차가 아니라, 물질 안에서 전자들이 스스로 만든 숨은 질서에서 나온 신호임을 보여준다.

연구팀은 이번 연구가 초전도가 만들어지기 전 전자들이 어떤 준비 과정을 거치는지를 보여줬다는 점에서 중요하다고 보고 있다. 초전도는 전기가 저항 없이 흐르는 꿈의 기술로 양자컴퓨터, 초저전력 전자소자, 차세대 전력망에 활용할 수 있기 때문이다.

이성빈 교수는 “이번 결과는 전하 고리전류 질서와 전하밀도파가 따로 존재하는 것이 아니라 서로 얽혀 복합적인 양자상태를 만든다는 점을 보여준다”며 “이러한 상전이 계층을 제어하면 새로운 초전도 상태를 설계하는 데 중요한 실마리가 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 물리학 분야 국제 학술지 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’에 지난 15일 온라인판에 게재됐다.