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.