전기 저항 없는 초전도 생성 원리 찾았다…"새는 전기막을 실마리"

전기 저항이 없는 초전도 금속은 에너지 손실이 없기 때문에, 양자컴퓨터나 전략망 효율을 크게 높일 수 있다. 그러나 아직까지 금속마다 임계점이 제각각인 초전도 현상이 어떤 과정을 거쳐 일어나는지 논란만 있었을 뿐 아무도 규명하지 못했다. KAIST 연구진이 이를 과학적으로 규명했다. 김용관·한명준·이성빈 물리학과 교수 공동연구팀이 차세대 양자물질로 주목받는 카고메 금속(CsV₃Sb₅)에서 초전도가 나타나기 전 전자들이 먼저 '숨은 질서'를 형성한다는 사실을 실험과 이론으로 밝혀냈다. 연구결과는 물리학 분야 국제 학술지 네이처 피직스에 지난 15일 온라인으로 게재됐다. 그동안 과학기술계는 카고메 금속에서 초전도가 나타나기 전, 또 다른 숨은 전자 질서가 존재하는지 여부를 두고 논쟁해왔다. 카고메 금속은 삼각형 격자 고리 모양이 반복되는 특이한 결정 구조를 갖고 있는 대표적인 양자물질이다. 전자 간 상호작용, 좌절된 격자 구조, 위상학적 전자띠가 결합해 전하밀도파, 초전도, 네마틱 질서, 시간반전대칭성 깨짐 등 다양한 양자현상이 나타나는 특성이 있다. 특히, 카메고 금속은 전하밀도파와 초전도 현상이 모두 나타난다. 이 때문에 초전도 현상 기원과 전자 질서 관계를 연구하는 데 중요한 물질로 인식돼 왔다. 그러나 이 물질에서 시간반전대칭성이 실제로 깨지는지, 깨진다면 그 온도는 전하밀도파 전이온도와 같은지, 아니면 더 낮은지, 더 높은지에 대해서는 실험결과가 과학자마다 서로 달라, 여러 이론이 혼재돼 왔다. 시간반전대칭성은 시간을 거꾸로 돌려도 물리 법칙이 동일하게 보이는 성질이다. 이 대칭성이 깨졌다는 것은 전자 운동에 특정한 방향성 또는 순환성이 생겼다는 것을 의미한다. 학계에서는 이러한 시간반전대칭성 깨짐의 미시적 원인으로 '고리전류 질서'를 꼽아왔다. 고리전류 질서는 전자들이 원자 격자 안에서 작은 고리를 따라 순환하듯 움직이는 상태로, 장거리 자기 질서가 없어도 시간반전대칭성을 깨뜨릴 수 있기 때문이다. 그러나 고리전류 질서를 전자 구조 안에서 확인하는 것이 간단하지 않아, 이 질서 존재 여부가 물리학계의 오랜 논쟁거리였다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 빛을 쏴서 전자의 성질을 파악할 수 있는 원편광-각분해광전자분광(CD-ARPES)법을 사용했다. 왼쪽으로 도는 빛과 오른쪽으로 도는 빛을 각각 물질에 쏘았을 때 방출되는 전자 세기의 차이를 측정했다. 이 차이는 물질 내부의 전자 궤도각운동량과 대칭성 깨짐에 민감하게 반응하기 때문에, 시간반전대칭성이 깨진 전자 상태를 찾는 데 유용하다. 연구팀은 카고메 금속 결정 거울면과 빛 입사면을 정밀하게 맞춘 뒤, 실험 기하학에서 생기는 외부적 원편광 이색성 신호와 물질 고유 내부 신호를 분리했다. 특히 전자 불안정성이 강하게 나타나는 반 호브 특이점 부근을 집중적으로 측정했다. 그 결과, 전하밀도파 전이온도인 94 K(−179.15°C)보다 높은 약 140~145 K(−133.15~−128.15°C) 부근에서 이미 고유 원편광 이색성 신호가 나타났다. 이는 전하밀도파가 생기기 전에 시간반전대칭성이 먼저 깨진 것을 뜻한다. 온도를 더 낮추면 이 신호가 전하밀도파 형성과 함께 급격히 변하는 것도 확인했다. 이는 고리전류 질서와 전하밀도파가 서로 얽혀 있다는 의미다. 연구팀은 이를 이론적으로 설명하기 위해 제1원리 계산(양자역학 기본 법칙만으로 물질 성질을 계산하는 방법)과 타이트바인딩 모델(전자 이동을 설명하는 모델)을 이용했다. 고리전류 질서가 존재할 때 전자 궤도각운동량이 어떤 패턴을 가져야 하는지 계산한 결과 실험에서 관측된 원편광 이색성 신호의 부호와 에너지 의존성을 확인했다. 이를 통해 연구팀은 카고메 금속에서 고리전류 질서가 먼저 나타나고, 이후 전하밀도파와 결합해 더 복잡한 전자 질서를 형성한다는 그림을 제시했다. 김용관 교수는 "그동안 논쟁이던 초전도 전 상전이 순서를 명확히 하는 데 기여했다"며 "고리전류 질서-전하밀도파-초전도로 이어지는 상전이 계층을 제시했다는 점에서 카고메 초전도체의 상도표를 이해하는 핵심 기준이 될 것"이라고 말했다. 한명준 교수는 "초전도 상태에 도달하기 전 이미 시간반전대칭성이 깨진 전자 상태가 존재한다는 사실은 카메고 금속 초전도성이 일반적인 초전도와 다른 비전통적 성격을 가질 수 있음을 시사한다"며 "이는 초전도체 설계와 새로운 양자상태 탐색에 중요한 제약 조건을 제공한다"고 덧붙였다. 이성빈 교수는 "이번 연구는 카고메 금속을 넘어 다양한 강상관 양자물질에서 숨은 전자 질서를 이해하는 데 활용될 수 있다"며 "원편광-각분해광전자분광을 이용한 운동량·도메인 분해 분석법은 앞으로 다른 양자물질의 대칭성 깨짐을 연구하는 데도 중요한 도구가 될 것"으로 기대했다. 연구는 차재훈·이형근·심상준 물리학과 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.