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전기저항 제로 초전도 원인은 '응력'…"115년 난제 풀릴까"

노벨 물리학상 후보로 주목받고 있는 초전도 분야에서 전기저항이 제로인 상태로 전류가 계속 흐르는 영구초전류((permanent supercurrent) 현상의 원인을 설명하는 연구결과가 처음 공개됐다. 영구초전류는 응집물리학이 115년 째 풀지못한 미해결 난제다. 김현탁 미국 윌리엄 앤 메리 대학교 연구교수는 구조 대칭성 깨짐으로 자발적 초전류·초전도 다이오드(한쪽 방향으로만 전류가 흐르는) 효과와 원리를 설명하는 이론이 스프링거 네이처가 발간하는 국제학술지 '실험 및 이론 물리학 저널'(Journal of Experimental and Theoretical Physics)에 최근 게재됐다고 27일 밝혔다. 자발적 초전류는 외부 전압(기전력)을 가하지 않아도 초전도체 내부에서 전류가 스스로 흐르는 현상이다. 김 교수는 초전도에 대해 "구조적 대칭성 파괴(structural symmetry breaking)가 영구턴넬 초전류(Superconductor supercurrent)를 만든다. 초전도 원인은 바로 구조적 대칭성 파괴를 일으키는 응력(Shear stress)"이라고 설명했다. 구조적 대칭성 파괴는 대칭구조를 갖는 금속의 큐빅(정육면체·3차원) 혹은 정사각형(2차원) 구조가 저온에서 구조가 뒤틀려서(structural sistortion) 변하는 것을 말한다. 또 대칭성 파괴는 면에 평행하게 작용하는 전단 응력(Shear stress)이 구조 변형과 전자들의 집합적 거동을 바꾼다고 김 교수는 부연 설명했다. 이 같은 설명은 김 교수가 처음이다. 김 교수는 "1911년 네델란드 카메론 온네스가 수은에서 최초로 초전도 현상을 발견한 이래 지금까지 저항 제로가 되는 원리가 제대로 규명된 적이 없다. 이는 115년 이상된 응집물리학 미해결 물리문제"라며 "1957년 공개된 BCS이론이 초전도 현상을 설명하는 것 같이 보였지만, 저온 초전도 현상조차도 제대로 설명하지 못한다"고 말했다. BCS 이론(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory)은 쿠퍼쌍에 의해 초전도 현상을 설명하는 것으로 운동량 공간에서 격자진동에너지를 매개로 페르미 에너지 밖의 두 전자가 큐퍼쌍을 형성하고, 많은 쿠퍼쌍이 질서있는 양자상태를 이루면서 전자가 산란되지 않고 움직일 수 있어 전기저항이 제로인 초전도 상태가 된다는 이론이다. 김 교수가 제시한 핵심 개념에 따르면 임계온도 위에서 금속상태로 있던 금속의 원자와 전자 구조가 임계온도 이하로 내려가면서 대칭구조가 깨져 새로운 전자구조인 전하밀도파(CDW) 구조로 바뀐다. 이 구조에서 전자들은 금속안에서 처럼 균일하게 분포하지 않고 두 개의 전자가 쌍(바이폴라론)을 이루면서 존재한다. 즉 그 전자쌍이 존재하고 존재하지 않는 주기적으로 밀도가 변하는 전하밀도파 패턴(전하밀도파 포텐셜)이 만들어진다. 이 CDW 포텐셜은 인력으로 그 전자쌍을 포함하며, 그 전자쌍 사이에 매우 큰 반발 쿨롱에너지가 가미되어 매우 얋은 포텐셜로 그 크기가 상당히 줄어든다. 많은 전자쌍이 동시에 이웃한 전자쌍의 위치로 에너지 감쇠없이 터널링 방식으로 이동하면서 초전류가 자발적으로 발생한다는 설명이다. 초전도 상태에서 구조적 대칭성이 깨지는 것이 자발적 초전류의 원인이 될 수 있다는 것이 김 교수의 부연 설명이다. 김 교수는 "초전도체는 일반적으로 전기저항이 사라진 상태에서 전류를 전달한다. 이때 전류가 어느 방향으로 흐르느냐에 따라 특성이 달라지는 비상호적 현상이 나타날 수 있다. 대표적인 것이 초전도 다이오드 효과"라고 말했다. 초전도 다이오드 효과에서는 같은 초전도체라도 정방향과 역방향의 임계전류가 서로 다르게 나타난다. 임계전류는 초전도 상태를 유지할 수 있는 최대 전류를 의미한다. 초전도에서는 한 방향에서는 보다 큰 전류가 흐르지만 반대 방향에서는 상대적으로 보다 작은 전류를 갖는 다이오드와 같은 특성이 나타날 수 있다. 이 현상은 최근 초전도 연구에서 다루는 핵심 주제다. 특히 외부 자기장을 이용하지 않고 초전도체 자체의 대칭성 깨짐만으로 다이오드 효과를 구현할 수 있는지 여부에 과학기술계 관심이 크다. 기존 연구에서는 반전 대칭이나 시간반전 대칭이 깨지는 조건이 비상호적 초전도 수송과 관련되는 것 정도로 설명해왔다. 김 교수는 이번 연구에서 '구조적 대칭성 깨짐'에 주목했다. 구조적인 비대칭성이 초전도 상태에서 손실없이 턴넬하는 자발적인 초전류를 만들어내고, 나아가 전류의 방향에 따른 비대칭적인 수송 특성인 초전도 다이오드 효과로 이어질 수 있다는 것. 김 교수는 "초전도 다이오드 효과와 자발적 초전류의 관계는 초전도 상태가 단순히 저항이 0인 상태를 넘어 전자계의 대칭성과 방향성을 반영하는 양자 상태라는 점에서도 의미가 있다"고 말했다. 실제 외부 자기장이 없는 상태에서 초전도 다이오드 효과가 나타나는 예시도 이번 논문에서 제시했다. 예를 들어 작은 비틀림각을 가진 삼층 그래핀에서는 자기장을 0으로 설정한 상태에서도 서로 반대 방향의 임계전류가 크게 달라지는 현상을 관측했다. 응력에 대해서도 김 교수는 설명했다. 금속은 정육면체 혹은 정사각형 구조의 격자점에 금속원자가 놓여있는 구조를 가지며 그 격자점들 사이의 모든 힘의 합력이 0이다. 그런데 저온 초전도 상태는 찌그러든 구조를 가지며 힘의 합력이 0이 아닌 어떤 값을 갖는다. 이 힘이 응력이고, 초전도 현상의 근본 원인이라는 설명이다. 김 교수는 "초전도 다이오드 효과는 차세대 저전력 전자소자와 양자소자 분야에서도 관심이다. 초전도 상태에서 전류의 방향성을 제어할 수 있다면 기존 반도체 다이오드와 다른 방식의 정류 소자나 초전도 회로 구현에 활용할 가능성이 있기 때문"이라고 덧붙였다. 최근에도 조셉슨 접합과 비대칭 다층 구조 등을 이용해 초전도 다이오드 효과의 발생 원인을 규명하려는 연구가 이어지고 있다. 김현탁 교수는 그동안 고온·상온 초전도와 전자 상관관계 등을 중심으로 연구해 왔다. 이번 연구에서는 초전도 현상을 물질의 구조적 대칭성이라는 관점에서 자발적 초전류와 비상호적 수송 현상을 설명하려는 접근이다. 한국전자통신연구원(ETRI) 출신인 김 교수는 "1982년부터 양자역학 쿠퍼쌍에서 이해되지 않던 부분을 끊임없이 탐구해왔고, ETRI 재직시절 노벨상 과제라고 불리는 창의연구과제 등으로 성과를 내며,오늘에 이른 것"이라고 덧붙였다.

2026.09.27 10:00박희범 기자

호암재단, 대전서 노벨상·삼성호암상 수상자 초청 특별 강연 개최

삼성호암상을 운영하고 있는 호암재단이 세계적인 석학을 초청해 '우주'와 '인공지능'을 주제로 특별 강연을 진행한다. 호암재단은 다음달 4일 오후 2시 대전컨벤션센터에서 '노벨상·삼성호암상 수상자 청소년 특별강연회'를 개최한다고 24일 밝혔다. 호암재단은 매년 청소년들에게 첨단 과학 지식을 전파하고, 꿈과 미래를 그려볼 수 있는 강연회를 개최해 오고 있다. 특히 전국의 더 많은 청소년들이 세계적 석학들과 직접 만나서 소통할 수 있도록 지난해부터 전국 순회 형식으로 강연회를 확대 개편했다. 이번 대전 강연에는 현대 과학의 가장 뜨거운 화두인 '우주'와 '인공지능' 분야를 선도하는 두 석학이 강연에 나선다. 2019년 노벨물리학상 수상자인 디디에 쿠엘로 스위스 취리히공대 교수와 2021년 삼성호암공학상 수상자인 조경현 미국 뉴욕대 교수가 강연자로 참여하며, 강연 후에는 청소년들과 자유로운 질의응답 시간도 가질 예정이다. 디디에 쿠엘로 교수는 '외계 행성 탐사'를 주제로 노벨상 수상의 바탕이 된 우주 천문과학 분야의 최첨단 기술과 도전 스토리를 들려줄 예정이다. 이어 조경현 교수는 세계가 주목하는 '최신 인공지능 기술'을 주제로 인공지능 연구와 미래 사회에 대한 깊이 있는 인사이트를 청소년들의 눈높이에 맞춰 전달할 것으로 기대된다. 김황식 호암재단 이사장은 "전국 순회 청소년 특강의 일환인 이번 강연회가 대한민국의 과학 도시인 대전에서 개최되어 더욱 의미가 깊다"며 "세계 최정상 석학들의 과학에 대한 열정과 도전 정신을 우리 청소년들이 직접 접하며, 더 큰 세계를 향해 자신만의 꿈을 키워나가는 소중한 계기가 되기를 바란다”고 말했다. 강연회는 청소년은 물론 대학생, 관련 분야 연구원, 교사 등 강연에 관심이 있으면 누구나 참여할 수 있다. 호암재단 홈페이지를 통해 사전 신청 시 무료로 참석 가능하다. 현장 강연 후에는 호암재단 공식 유튜브 채널에 강연 영상을 공개해 누구나 자유롭게 강연을 시청할 수 있도록 할 예정이다.

2026.06.24 09:47장경윤 기자

노벨 물리학상, 양자서 나와…"양자컴퓨팅 큐비트 기반 마련"

올해 노벨 물리학상 수상자는 양자(퀀텀)에서 나왔다. 올해는 UN이 정한 양자의 해다. 양자역학이 탄생한지 100주년이 되는 해다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 7일 미국 버클리 캘리포니아대학(UC버클리) 교수인 존 클라크와 예일대와 샌타 바버라 캘리포니아대(UC 샌타바버라) 교수인 미젤 H. 드보레, UC샌타바버라 교수인 존 M. 마티니스에게 돌아갔다. 이들은 조셉슨 효과를 기반으로 한 전기회로에서의 거대 양자 터널링 현상 발견과 에너지 양자화를 실험적으로 입증한 공로를 인정 받았다. 조셉슨 효과는 두 초전도체 사이에 얇은 절연막을 통해 전자쌍이 터널링하는 현상이다. 이때 이 절연막을 조셉슨 접합이라 부른다. 양자 터널링은 양자 컴퓨터, 나노기술, 생명과학 등 미래 기술 혁신의 핵심 원리로 주목받고 있다. 양자 터널링 현상은 입자가 고전역학적으로 넘을 수 없는 에너지 장벽을 확률적으로 통과하는 현상이다. 실사용 예로는 반도체와 전자기기 분야 터널 다이오드나 플래시 메모리 등에서 전자가 장벽을 터널링해 전기적 특성을 제어한다든지, 주사 터널링 현미경(STM)으로 원자 수준의 물질 표면 관찰, 별의 중심에서 양성자가 터널링을 통해 핵융합, 에너지를 생성하는 것 등이다. 에너지 양자화는 고전역학에서 에너지가 연속적으로 변화할 수 있다는 것과 달리, 양자 시스템에서는 에너지가 특정 값만을 취할 수 있다는 것이다. 정연욱 성균관대학교 양자정보연구지원센터장은 "에너지 양자화는 설명보다 몸으로 받아 들여야하는 부분"이라며 "클라크 교수는 스퀴드(고감도 자속 검출 소자)의 아버지로 불린다. 3인 모두 초전도 분야에서 기여한 공로를 인정한다"고 말했다. 양자화된 에너지는 주로 원자, 전자, 빛 등 양자적 입자와 시스템에서만 적용된다. 예를 들어 양자 컴퓨팅에서 큐비트(양자 비트)의 작동 원리, 양자 계산의 기본 개념과 밀접하게 연결돼 있다는 것이다. 지난해엔 노벨 물리학상과 노벨 화학상을 인공지능(AI)이 휩쓸었다. 2024 노벨 물리학상은 'AI 대부'로 꼽히는 제프리 힌튼 토론토 대학 교수와 '홉필드 네트워크'로 AI 연구의 기반을 닦은 존 홉필드 프린스턴대학 교수가 받았다. 2024 노벨 화학상은 단백질 구조를 파악하는 인공지능(AI) 모델 '알파폴드'를 개발한 구글 AI 기업 딥마인드의 데미스 허사비스 CEO와 존 점퍼 딥마인드 연구원에게 돌아갔다. 허사비스는 '알파고 아버지'로 불린다. 수상자들은 상금 1100만 스웨덴 크로나(한화 약 16억5천만 원)를 나눠 갖게 된다. 앞서 노벨 위원회는 지난 6일 생리의학상 수상자로 자가 면역 질환을 억제하는 메커니즘을 밝힌 메리 E. 브룬코(미국 시애틀 시스템생물학연구소 선임 프로그램매니저)와 프레드 램스델(미국 샌프란시스코 소노마 바이오테라퓨틱스 과학 고문), 사카구치 시몬(일본 오사카 대학 석좌교수)을 선정했다. 오는 8일엔 노벨 화학상, 9일엔 문학상 수상자를 발표한다. 평화상은 10일, 경제학상은 13일 발표할 예정이다.

2025.10.07 19:46박희범 기자