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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.

2026.06.30 09:26박희범 기자

스크류같은 1차원 나노선서 펌핑 현상 첫 규명…"고장없는 전자소자 가능할까"

아르키메데스 펌프처럼 꼬여있는 1차원 나선형 나노선이 전자를 정해진 양만큼 한 방향으로 옮기는 양자 펌프 기능이 있다는 사실이 이론적으로 밝혀졌다. 이를 통해 향후 전하나 궤도, 스핀 제어가 이루어지면 고장나지 않는 전자소자나 오류가 줄어든 양자컴퓨터 구현도 가능해질 전망이다. UNIST는 박노정 물리학과 교수 연구팀이 빙하이 얀 미국 펜실베이니아주립대학교 교수 연구팀과 아르키메데스 펌프처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 위상 전하 펌프처럼 작동할 수 있다는 사실과 이 전하 이동 과정에서 궤도각운동량과 스핀 분극이 함께 나타난다는 사실을 이론적으로 처음 규명했다고 4일 밝혔다. 아르키메데스 펌프는 그리스 수학자 아르키메데스가 고안한 것으로 알려진 장치다. 통 안에 스크류를 천천히 돌리면 아래쪽 물이 나선 사이에 갇혀 위쪽으로 조금씩 올라가기 때문에, 회전 운동만으로 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 끌어올릴 수 있다. 연구팀은 스크류처럼 생긴 1차원 나선형 물질이 양자역학 세계에서도 비슷한 역할을 할 수 있음을 밝혀냈다. 전하를 한 방향으로 옮기고, 한 번의 회전 주기마다 이동하는 전하량이 정해진 값으로 고정되는 '위상 전하 펌프'로 작동할 수 있다는 것. 위상 전하 펌프는 외부 조건을 한 주기씩 천천히 바꿀 때 전하가 일정한 방향으로 이동하는 양자 현상이다. 지난 2016년 노벨 물리학상을 받은 데이비드 사울리스의 이름을 따 '사울리스 양자 펌프'라고도 불린다. 연구팀은 그러나 "이를 단순한 1차원 나노선에서 관찰하기는 그동안 쉽지 않았다"며 "연구팀이 이를 실제 관찰하고 처음 과학적으로 규명한 것"이라고 말했다. 연구팀은 나선형 탄화수소 C₁₂H₁₂ 사슬과 삼방정계 셀레늄(Se) 나노선 전자 구조를 계산했다. C₁₂H₁₂ 사슬은 나선형 구조 자체가 전하 펌핑에 미치는 영향을 보기 위한 모델로 사용했다. 셀레늄 나노선은 스핀-궤도 결합을 포함해 궤도각운동량이 스핀 분극으로 이어지는 과정을 분석하는 데 활용했다. 연구팀은 다중 궤도 타이트바인딩 모델과 제일원리 계산을 이용해 나선형 물질의 전자 띠 구조와 궤도·스핀 성질을 분석했다. 이어 나노선에 수직한 방향으로 원편광 전기장을 가한 상황을 계산했다. 연구결과에 따르면 이 전기장은 나선형 물질의 대칭을 깨뜨려 전자 띠가 만나는 지점에 에너지 간격을 만들고, 이 간격 안에서 전하가 한 주기마다 양자화된 양만큼 이동하는 위상 전하 펌핑이 나타났다. 기존 대표적인 위상 전하 펌프가 두 가지 조건이 맞물려 작동하는 것과 달리, 이 나선형 물질에서는 전기장 방향이 한 바퀴 도는 하나의 조건만으로도 전하 펌핑이 가능했다. 이유는 나선형 구조 자체가 전자의 양자 상태를 감기게 하는 역할을 하기 때문이라고 연구팀은 설명했다. 연구팀은 또 전하가 펌핑되는 과정에서는 궤도각 운동량과 스핀 분극도 함께 나타났다고 부연설명했다. 전자가 나선형 구조를 따라 이동하면서 궤도각운동량이 생겼고, 셀레늄 나노선에서는 이 중 일부가스핀-궤도 결합을 통해 스핀 분극으로 바뀌었다는 것. 연구팀은 하이젠베르크 운동 방정식 분석을 통해 이 궤도-스핀 전환 메커니즘을 추가로 확인했다고 덧붙였다. 연구팀은 또 수직 전기장 세기에 따라 나노선의 전자 상태가 평범한 상태에서 위상학적 상태로 바뀐다는 사실도 확인했다. 운동량과 회전 전기장 위상이 이루는 합성 공간에서 천 수가 변화하는 것도 확인했다. 이는 전하 펌핑이 위상학적 성질에서 비롯된다는 점을 뒷받침한다. 천 수(Chern Number)는 물질의 위상학적 상태를 정수로 나타내는 값이다. 사울리스 양자 펌프에서는 전하가 한 주기 동안 얼마나 양자화되어 이동하는지를 설명하는 지표로 쓰인다. 박노정 교수는 "손대칭성(왼속과 오른손 같은 대칭구조) 나노선에서 위상학적 전하 펌핑, 궤도 각운동량, 스핀 분극화가 하나의 통합된 메커니즘으로 연결됨을 처음으로 보인 것"이라며, "향후 나노 소자에서 전자, 궤도, 스핀 특성을 위상학적으로 제어하는 새로운 방법론의 토대가 될 것"이라고 밝혔다. 연구는 에스마일 타기자데 시사크트 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 나노레터스에 5월 13일 자로 게재됐다.

2026.06.04 08:00박희범 기자

GS25 와인25플러스, 비수도권 매출↑…"주류 전문점 대체"

GS리테일은 자사 주류 스마트오더 플랫폼 '와인25플러스'가 지역 가맹점 매출을 견인하며 새로운 '상생 모델'로 자리매김하고 있다고 26일 밝혔다. GS리테일이 운영하는 편의점 GS25에 따르면 올해(1월 1일 ~ 2월 25일) 서울∙인천∙경기를 제외한 비(非)수도권 매장의 '와인25플러스' 매출이 전년 동기 대비 123.3% 증가한 것으로 분석됐다. 이는 동기간 전체 와인25플러스 매출 신장률인 98.3%를 크게 상회하는 수치다. 와인25플러스 비수도권 매출 비중은 최대치인 55%를 돌파했다. 지역별로 ▲서울24.6% ▲인천/경기20.3% ▲영남권20.0% ▲호남권17.2% ▲충청권11.3% ▲강원/제주 6.6% 순이다. 특히 울산광역시에 위치한 'GS25 울산전하패밀리점'이 비수도권 매장으로선 최초로 전국 와인25플러스 매출 1위에 올랐다. 울진과 울릉도에 위치한 2개 점포도 매출 상위 10위권에 처음으로 진입했다. 비수도권 점포가 여러 수도권 점포들을 제치고 거둔 성과이자 와인25플러스가 개별 점포 수익 향상에 실질적으로 기여하고 있음을 입증한 사례다. GS25는 이에 대해 와인25플러스가 안정적인 소비력을 갖춘 지역 주류 애호가들에게 구매 편의성을 제공하고 지역 내 주류전문점 역할을 대체하고 있다고 설명했다. ▲우리동네GS앱 ▲카카오톡 선물하기 등 온라인 영역과 GS리테일 오프라인 매장을 유기적으로 연결하는 O4O(Online for Offline) 서비스로 집 근처 편의점에서 와인, 하드리쿼(위스키 포함), 사케, 중국 백주 등 1만여 종 주류를 손쉽게 구매할 수 있게 된 것이다. 또한, 주류 픽업 시 안주나 디저트 등과 연계 구매가 이뤄지면서 점포당 평균 객단가(고객별 구매 금액)도 크게 상승했다. 비수도권 매장 기준 올해 와인25플러스 픽업 1건당 평균 객단가는 약 6만 원으로, GS25 일반 오프라인 매장 이용 고객에 비해 8배 이상 높은 수준이다. 즉 비수도권 매장에서 와인25플러스 서비스를 이용한 고객 1명이 일반 고객 8명 이상의 매출 효과를 창출했다는 의미다. 점포의 상권 범위 확장도 주요 성공 요인 중 하나다. 보통 편의점의 상권 반경이 100~200m에 불과하지만, 와인25플러스는 수령 지역에 따른 제한이 없어 멀리 있는 고객까지도 확보할 수 있는 핵심 경쟁력으로 작용한 것이다. GS25 울산전하패밀리점 가맹 경영주는 “산업 단지 인근에서 점포를 운영하고 있는데, 고객들로부터 와인25플러스 주류 라인업이 만족스럽고 서비스가 편리하다는 좋은 반응을 듣고 있다”면서 “주류를 픽업하면서 함께 곁들일 간편식, 견과류, 아이스크림 등까지 찾는 분들이 많아 실제 매출 증가에 큰 도움이 된다”고 말했다. 이기철 GS리테일 가공MD부문장은 “지난 2020년 론칭과 동시에 국내 주류 스마트 오더 플랫폼 1위 자리에 오른 '와인25플러스'가 지역 점포 매출 증대에 실질적 역할을 하며, 새로운 상생 모델로 주목받고 있다”면서 “상품 저변을 넓히고, 서비스를 고도화하는 등 고객 만족도를 높이며 가맹점 수익 극대화에 긍정적인 영향을 끼칠 것”이라고 말했다.

2025.02.26 08:00안희정 기자

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