%ec%9d%b4%ec%84%b1%eb%b9%88
-
초전도는 어떻게 시작될까… 전자들의 숨은 질서 확인
초전도는 전기가 저항 없이 흐르고 에너지 손실이 거의 없어 양자컴퓨터, 자기부상열차, 차세대 전력망 등 미래 기술의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 전자들이 어떤 과정을 거쳐 초전도 상태에 도달하는지는 아직까지 완벽히 밝혀지지 못한 미스터리다. 우리 대학 연구진은 초전도가 시작되기 전 전자들이 먼저 '숨은 질서'를 만든다는 사실을 밝혀냈다. 이번 성과는 초전도의 작동 원리를 이해하고 차세대 초전도체와 양자기술 개발에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
우리 대학은 물리학과 김용관·한명준·이성빈 교수 공동연구팀이 차세대 양자물질로 주목받는 카고메 금속(CsV₃Sb₅)에서 초전도가 나타나기 전 전자들이 먼저 '숨은 질서'를 형성한다는 사실을 실험과 이론을 통해 규명했다고 30일 밝혔다.
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. 이는 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. 이러한 독특한 구조에서는 전자들이 서로 강하게 영향을 주고받으면서 일반 금속에서는 보기 어려운 다양한 양자현상이 나타난다. 특히 CsV₃Sb₅는 초전도와 전하밀도파가 모두 나타나는 대표적인 물질로, 차세대 양자소재 연구의 핵심 플랫폼으로 꼽힌다.
그동안 세계 연구진은 이 물질에서 초전도가 나타나기 전에 또 다른 숨은 전자 질서가 존재하는지를 두고 논쟁을 이어왔다. 일부 실험에서는 시간반전대칭성 깨짐(시간을 거꾸로 되돌려도 같은 물리 현상이 유지되지 않는 것으로, 전자들이 일정한 방향성을 갖고 움직이기 시작했음을 의미)의 흔적이 관측됐다. 하지만 이것이 전자들이 규칙적인 무늬를 만드는 전하밀도파가 생긴 뒤 나타나는 현상인지, 아니면 그보다 먼저 독립적으로 형성되는 숨은 전자 질서인지는 명확하지 않았다.
연구팀은 이 사실을 확인하기 위해 특별한 빛을 이용했다. 왼쪽으로 도는 빛과 오른쪽으로 도는 빛을 시료에 번갈아 비추고, 그때 물질 밖으로 튀어나오는 전자들의 움직임을 정밀하게 살펴봤다. 쉽게 말해, 빛을 이용해 물질 속 전자들이 어떤 방향으로, 어떤 상태로 움직이는지 들여다본 것이다. 연구팀은 이 과정에서 실험 장치 때문에 생길 수 있는 잡음은 제거하고, 물질 자체에서 나오는 신호만 골라냈다.
그 결과, 전자들이 규칙적인 무늬를 만드는 현상인 전하밀도파가 시작되는 온도 약 94K(영하 179℃)보다 훨씬 높은 약 140~145K(영하 133℃)에서 이미 전자들의 움직임에 방향성이 생긴다는 사실을 확인했다. 이는 초전도가 시작되기 훨씬 전부터 전자들이 아무렇게나 움직이는 것이 아니라, 작은 고리 모양으로 함께 돌며 숨은 질서를 만들고 있었다는 뜻이다.
연구팀은 온도를 낮추면서 전자들이 변하는 과정을 순서대로 확인했다. 처음에는 전자들이 작은 고리 모양으로 함께 순환하는 고리전류 질서를 만들고, 이어 일정한 간격으로 모여 규칙적인 무늬를 이루는 전하밀도파를 형성한 뒤, 마지막으로 전기가 저항 없이 흐르는 초전도 상태에 도달했다. 이는 전자들이 '고리전류 질서 → 전하밀도파 → 초전도'의 순서로 변화한다는 사실을 보여주는 결과다.
연구팀은 이론 계산을 통해서도 실험 결과를 검증했다. 계산 결과, 실험에서 관측된 신호가 실제로 전자들이 작은 고리 모양으로 움직일 때 나타나는 특징과 잘 맞았다. 이는 이번 결과가 단순한 실험 오차가 아니라, 물질 안에서 전자들이 스스로 만든 숨은 질서에서 나온 신호임을 보여준다.
이번 연구는 초전도가 만들어지기 전 전자들이 어떤 준비 과정을 거치는지를 보여줬다는 점에서 중요하다. 초전도는 전기가 저항 없이 흐르는 꿈의 기술로 양자컴퓨터, 초저전력 전자소자, 차세대 전력망 등에 활용될 수 있다. 이번 연구는 앞으로 초전도가 왜 생기는지 더 깊이 이해하고, 더 높은 온도에서 작동하는 새로운 초전도체를 개발하는 데 중요한 기초 자료가 될 것으로 기대된다.
김용관 교수는 "이번 연구는 초전도가 나타나기 전 전자들이 어떤 순서로 움직이며 숨은 질서를 만드는지를 처음으로 보여준 연구"라며 "초전도가 만들어지는 원리를 이해하고 새로운 초전도 물질을 개발하는 데 중요한 단서를 제시했다"고 말했다.
한명준 교수는 "실험 결과가 이론에서 예측한 전자들의 움직임과 정확히 일치한다는 점이 이번 연구의 핵심"이라며 "실험과 이론을 함께 검증해 숨은 전자 질서의 존재를 더욱 명확하게 입증했다"고 말했다.
이성빈 교수는 "이번 결과는 전하 고리전류 질서와 전하밀도파가 따로 존재하는 것이 아니라 서로 얽혀 복합적인 양자상태를 만든다는 점을 보여준다"며, "향후 이러한 상전이 계층을 제어하면 새로운 초전도 상태를 설계하는 데 중요한 실마리가 될 것"이라고 설명했다.
이번 연구에는 KAIST 물리학과 차재훈·이형근·심상준 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 물리학 분야 국제 학술지 네이처 피직스(Nature Physics)에 2026년 6월 15일 온라인 게재됐다.
※ 논문명: Evidence of time-reversal symmetry breaking above the charge density wave order in a kagome metal, DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03331-2
본 연구는 우수연구-중견연구 및 가속기인력양성사업 (과기부, 한국연구재단), 한국표준과학연구원, 미 공군과학연구소, 미국 에너지부 기초에너지과학실 등의 지원을 받아 수행됐다.
2026.07.01 조회수 547 -
초전도 비밀 밝힐 극저온 ‘전자 질서’ 양자현상 포착
전류가 손실 없이 흐르는 초전도 현상을 비롯한 물질 내부 양자현상의 비밀은 전자들이 언제 함께 움직이고, 언제 흩어지는지에 있다. 우리 대학 연구진이 전자들이 질서를 만들고 깨뜨리는 순간을 직접 ‘눈으로’ 확인하는 데 성공했다.
우리 대학은 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수팀이 미국 스탠퍼드대학교와 국제 공동연구를 통해, 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)*가 형성되고 사라지는 과정을 공간적으로 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다고 20일 밝혔다.
*전하밀도파: 특별한 양자물질을 매우 낮은 온도로 식혔을 때 전자들이 마치 군무를 추듯 일정한 간격으로 늘어서며 이루는 줄무늬 또는 그물 무늬 같은 패턴
초전도 상태는 에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 상태로, 아주 낮은 온도에서 특정한 물질에서만 나타난다. (-)전하를 띠는 전자들은 일반적인 환경에서 서로 밀어내지만, 초전도 상태의 전자들은 놀랍게도 둘씩 짝을 이뤄 움직이는 것으로 알려져 있으며, 이 성질은 MRI 병원 검사 기계와 자기부상열차 등에 이미 활용되고 있다. 이와 같이 전하들이 서로 강하게 얽혀 만들어내는 특별한 양자상태는 양자컴퓨터와 같은 차세대 양자기술의 기반이 된다.
초전도 현상을 비롯한 극저온 양자현상을 양자컴퓨터 등에 활용하기 위해서는 물질 속 전자들을 원하는 대로 정밀하게 제어하는 기술이 필수적이다. 하지만 극저온 환경에서 전자들이 만들어 내는 전하밀도파의 무늬 패턴은 어떻게 생기고 사라지는지 직접 관측하기 어려워 많은 부분 베일에 싸여 있었다.
연구진은 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)을 이용해 전자 무늬의 변화를 실시간으로 관찰했다.
이번 연구는 물이 얼면서 얼음 결정이 자라는 모습을 초고배율 카메라로 촬영하는 것과 비슷하다. 다만 물 대신 약 –253℃의 극저온에서 전자들이 배열되는 모습을 관찰했고, 카메라 대신 머리카락 굵기의 10만 분의 1까지 볼 수 있는 전자현미경을 사용했다는 점이 다르다.
연구 결과, 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 나타나지 않았다. 어떤 영역에서는 선명한 무늬가 보이지만, 바로 옆에서는 전혀 나타나지 않았다. 이는 마치 호수가 한 번에 얼지 않고, 얼음과 물이 섞여 있는 모습과 같다.
연구팀은 이러한 현상이 물질 내부의 아주 미세한 변형(strain)과 깊이 연결돼 있다는 사실도 밝혀냈다. 눈으로는 거의 느낄 수 없는 작은 압력이나 뒤틀림이 전자 무늬의 형성을 방해하는 것이다.
반대로 일부 영역에서는 온도가 올라가도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않고 남아 있는 현상도 관찰됐다. 이는 작은 섬처럼 고립된 ‘양자 질서’가 고온에서도 유지되는 모습으로, 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 결과다.
연구팀은 또 하나의 중요한 성과를 냈다. 전하밀도파 전자 무늬를 이루는 전자들이 서로 얼마나 멀리까지 영향을 주는지를 세계 최초로 정량적으로 밝혀낸 것이다. 이는 단순히 ‘무늬가 있다, 없다’를 넘어서 전자 질서가 어떻게 연결되고 유지되는지를 이해할 수 있게 해 양자물질 연구에 새로운 분석 틀을 제시한 성과로 평가된다.
전하밀도파와 초전도 상태는 때로는 서로 경쟁하고 때로는 서로를 돕는 관계로 알려져 있으며, 이번 연구 결과는 고온 초전도체 연구와도 자연스럽게 연결된다. 즉, 전자 무늬가 안정적으로 유지되는 조건을 알게 되면 초전도 전류가 더 잘 흐르는 재료를 설계할 수 있는 길이 열리는 것이다.
연구를 주도한 양용수 교수는 “그동안은 이론이나 간접 측정에 의존할 수밖에 없었던 극저온에서의 전자 질서와 양자상태의 미세한 변화를 이제는 직접 ‘눈으로 확인’할 수 있게 됐다”며, “양자물질의 숨겨진 질서를 밝혀냄으로써 미래 양자기술의 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구”라고 밝혔다.
이번 연구에는 홍석조·오재환·박제민 연구원(KAIST)이 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 물리학 분야 세계적 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 2026년 1월 6일 자에 게재됐다.
※논문명: Spatial correlations of charge density wave order across the transition in 2H-NbSe₂, DOI: https://doi.org/10.1103/776d-dnmf
본 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업, 기초연구실, 나노소재기술개발사업, KAIST 특이점교수사업의 지원을 받아 수행됐다.
2026.01.20 조회수 3091 -
우리 대학 교원 6인, Y-KAST 회원 선출
한국과학기술한림원(이하 한림원)은 과학기술 분야에서 탁월한 연구 성과를 발표하며 두각을 나타내고 있는 젊은 과학자 20인을 2025년도 한국차세대과학기술한림원(Young Korean Academy of Science and Technology, 이하 Y-KAST)* 회원으로 선출했다.
* Y-KAST: 2017년 2월 출범한 국내 유일의 영아카데미로서 만 45세 이하의 우수한 젊은 과학자들이 주축이 되어 정책 활동과 해외 교류를 수행 중임. 현재 독일, 영국, 스웨덴, 일본 등 50여 개국에서 영아카데미를 운영 중임
Y-KAST 회원은 만 43세 이하의 젊은 과학자 중 학문적 성과가 뛰어난 연구자를 선발하며, 특히 박사학위 후 국내에서 독립적 연구자로서 이룬 성과를 중점 평가함으로써 우리나라 과학기술 발전에 기여할 가능성이 큰 차세대 과학기술 리더를 최종 선출한다.
올해 선출된 회원의 평균나이는 만 40.4세이며, 우리 대학에서는 수리과학과 김재훈 교수, 물리학과 이성빈 교수, 기계공학과 김산하 교수, 건설및환경공학과 주진현 교수, 전기및전자공학부 황의종 교수, 생명과학과 정현정 교수가 포함됐다.
한림원은 12월 19일(목) 오후 4시, ‘2024 Y-KAST Members’ Day’를 개최하고, 신임 Y-KAST 회원에 대한 회원패 수여 및 연구업적 소개 등 연구자 간 교류를 진행할 계획이다.
2024.12.17 조회수 6182