■ 대기압에서 전기 저항 0 되는 신소재 발견했다.

■ 대기압에서 전기 저항 0 되는 신소재 발견했다.

 

● 새로운 위상 물질 탐색 및 양자컴퓨터 연구 활용 기대

 

기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 연산들을 빠르게 처리할 수 있는 양자컴퓨터의 큐비트를 만드는 것은 매우 어렵다. 극저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도상태 또는 진공상태 등 까다로운 제작조건이 필요하기 때문이다. 위상물리에서 발현되는 초전도 특성은 양자컴퓨터 큐비트를 구현할 수 있으나, 이러한 특성을 보이는 물질은 극소수이다. 그중 삼차원 위상 디락 반금속은 물질의 대칭 붕괴를 통해 초전도 등 다양한 물리현상을 보일 것으로 기대되나, 상압(대기압)에서 나타나는 초전도 특성이 관측된 적은 없었다.

 

● 기초과학연구원(IBS), 삼차원 위상 디락 반금속 소재 KZnBi 발견

 

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 김성웅 연구위원(성균관대 교수)과 한국과학기술원, 와이즈만연구소 등 국제 공동 연구진과 함께 상압(대기압)에서 표면 초전도 현상 (온도가 임계온도 이하에 도달하면 물질의 전기 저항이 0 이 되는 현상)을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi)를 발견했다고 12일 밝혔다. 연구진이 발견한 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi)는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다.

 

삼차원 위상 디락 반금속이란 디락 입자 (빛의 속도로 움직이는 입자)가 삼차원 운동량 공간에 존재, 그래핀의 삼차원 유사체로 알려진 물질로 질량이 거의 없는 입자를 가지고 있어 매우 빠른 전하 이동도와 독특한 위상학적 특성을 보인다.

연구진은 디락 입자가 존재하는 2차원 물질인 그래핀의 평면 벌집 구조에 착안했다. 이를 통해 층상으로 쌓아 올린 3차원 평면 벌집 구조 물질 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi) 합성에 성공했다. 각분해 광전자 분광 실험 및 이론 계산을 통해 삼차원 공간상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재하는 것을 밝힌 것이다.

 

나아가 삼차원 위상 디락 반금속 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi) 물질의 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남도 확인했다. 자기장이 충분히 강해져 물질의 초전도성이 깨지는 한계 자기장인 임계 자기장 측정을 통해 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi) 표면에 기존의 초전도체와는 다른 초전도 특성을 보이는 것을 발견했다. 지금까지 발견된 삼차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다. 그러나, 이번 연구로 보통 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기 저항이 0이 되는 물질인 삼차원 위상 디락 반금속 소재(KZnBi)를 발견한 것이다. 해당 소재는 새로운 위상 물질 탐색은 물론, 양자컴퓨터 연구에 필수적인 위상 물질 기반 기술 개발에 응용될 것으로 기대된다.

 

교신 저자인 김성웅 연구위원은 “디락 물질로 대표되는 2차원 그래핀 소재 형성 원리를 응용하여 기존에 전혀 예측하지 못했던 물질을 발견했다. 기존 연구의 한계를 뛰어넘은 새로운 양자 물질 발견으로, 앞으로 위상 초전도체와 양자컴퓨터 연구에 새로운 방향성을 제시할 것이다.” 라고 말했다.