상온 초전도체, 마침내 문이 열렸다...과학계 대격변 예고

지금까지 물리학자들이 확고부동하다고 믿어왔던 초전도체의 공식이 깨졌다. 전자가 저항 없이 흐르는 초전도 현상에서 나타나는 고유의 규칙을 무시하는 신물질이 발견된 것이다.

26일(현지시각) 과학 전문매체 사이언스데일리에 따르면 독일 드레스덴 국제공과대학교(IFW Dresden)와 위상 양자 물질 공동 연구단인 '시티 큐맷(ct.qmat)' 연구진은 백금-비스무트-2(PtBi_2)라는 반짝이는 회색 결정 내부에서 이전에 관찰된 적 없는 독특한 전자 흐름을 관측했다고 발표했다.


연구팀에 따르면 백금-비스무트-2는 결정의 위아래 표면만 초전도 상태가 되는 특이한 성질을 지녔다. 특정 전자들이 물질의 원자 구조와 상호작용하며 표면에만 엄격하게 갇히는 '위상학적 특성' 때문이다.

이로 인해 외부 표면은 완벽하게 전기를 전도하는 반면, 내부는 일반 금속의 특성을 유지하는 일명 '자연 초전도체 샌드위치' 형태를 띤다. 특히 이 초전도성은 위상학적으로 보호받고 있어, 결정을 반으로 잘라도 새로 노출된 면에 즉시 동일한 초전도 표면이 형성될 만큼 안정적이다.

이번 연구의 가장 놀라운 조각은 전자가 쌍을 이루는 방식이다. 고해상도 측정 결과, 모든 방향으로 균일하게 쌍을 이루는 일반 초전도체와 달리, 백금-비스무트-2는 특정 6개 방향으로 움직이는 전자들이 전혀 쌍을 이루지 않는 '6중 회전 대칭 패턴'을 보였다.

세르게이 보리센코 박사는 "이러한 현상은 전례가 없는 일"이라며 백금-비스무트-2는 위상학적 초전도체일 뿐만 아니라 전자 쌍 형성 방식 자체가 우리가 알던 다른 모든 초전도체와 다르다"고 강조했다.


이 발견이 미래 기술의 핵심으로 꼽히는 이유는 '마요라나(Majorana) 입자'를 생성하는 실용적인 방법을 제시했기 때문이다. 마요라나 입자는 미래 양자 컴퓨터에서 외부 노이즈와 오류에 강한 '오류 허용 큐비트'를 만들 유망한 요소다.

사이언스데일리에 따르면 연구책임자인 예로엔 반 덴 브링크 교수는 "백금-비스무트-2의 위상 초전도 현상은 물질의 가장자리를 따라 마요라나 입자를 자동으로 생성한다"며 "결정에 인위적인 계단형 모서리를 만드는 것만으로도 원하는 만큼의 마요라나 입자를 얻을 수 있다"고 설명했다.
연구팀은 향후 물질의 두께를 조절해 내부 금속 성분이 양자 정보에 간섭하는 것을 방지하고, 자기장을 가해 마요라나 입자의 위치를 자유자재로 제어하는 연구에 집중할 계획이다. 이는 백금-비스무트-2를 미래 양자 기술의 핵심 플랫폼으로 활용하기 위한 중요한 이정표가 될 전망이다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com