MIT, MATTG에서 비전통적 초전도성을 확인

초전도는 전자들이 일반 전도체나 일상적인 물질에서처럼 흩어지는 것이 아니라 짝을 이루면서 발생합니다. 이러한 짝을 이룬 전자를 “쿠퍼쌍”이라고 부르며, 이는 완벽하고 저항이 없는 전류 흐름을 만들어냅니다.

이 놀라운 특성은 관찰되며, 초전도체가 특정 “임계 온도” 이하로 냉각될 때 나타납니다. 전류가 에너지 손실 없이 무한히 흐를 수 있게 할 뿐만 아니라, 이러한 물질은 자기장을 배제하여 부양을 가능하게 합니다.

알루미늄과 같은 기존 초전도체는 매우 낮은 온도가 필요하지만, 연구자들은 더 높은, 실용적인 온도에서도 초전도 현상을 보이는 물질을 활발히 개발하고 있으며, 이는 에너지와 양자 기술에 혁신을 가져올 수 있는 단계입니다.

MIT 연구진이 이제 이 돌파구를 달성했습니다. 그들은 독특한 V자형 에너지 갭을 관찰했으며, 이는 마법각 그래핀에서 비전통적 초전도성을 나타내며, 실온 초전도체에 대한 중요한 진전을 의미합니다.

마법각 그래핀 및 ‘트위스트로닉스’: 층 회전이 물리학을 바꾸는 방식

‘마법각’ 그래핀의 발견 이후, 이는 과학계에서 큰 화제를 일으켰으며, 연구자들은 상관 절연 상태와 비전통적 초전도성부터 조정 가능한 자기성 및 위상 상태에 이르기까지 다양한 이국적인 양자 현상을 밝혀내고 있습니다.

2018년, MIT의 물리학자 팀이 파블로 하릴로-헤레로(Pablo Jarillo‑Herrero) 교수의 지도 아래 처음으로 마법각 그래핀을 만들고 그 효과를 관찰했습니다.

두 그래핀 층을 매우 특정한 각도로 겹쳐 놓았을 때 초전도성 같은 비정상적인 전자 특성이 나타나는 것을 감지했습니다. 이 비틀린 구조를 마법각 트위스티드 이중층 그래핀(MATBG)이라고 부릅니다.

그래핀은 탄소 원자 한 층으로, 원자 하나 두께이며 벌집 모양 격자를 가지고 있습니다. 탄소 원자가 육각형 패턴으로 배열된 모습은 닭고기 철사와 비슷하며, 놀라운 강도, 내구성, 그리고 열·전기 전도성을 보여줍니다.

이중층 그래핀은 두 층이 특정 방식으로 정렬된 구조입니다.

깨끗한 이중층 그래핀에서, 하릴로‑헤레로와 팀원들은 두 층을 마법각으로 비틀었을 때 강한 전자‑전자 반발 때문에 물질이 절연체가 되는 ‘모트 절연체’ 현상이 나타나는 것을 관찰했습니다.

이는 인접한 층을 회전시켜 그래핀의 전자 특성을 조정하는 새로운 기술인 “트위스트로닉스” 개발로 이어졌습니다.

그 방법은 MIT, 하버드 대학, 일본 NIMS 연구팀에 의해 전기장을 가해 트위스티드 이중층을 초전도 상태로 만드는 데 사용되었습니다.

시간이 흐르면서 많은 연구자들이 다양한 다층 그래핀 구조를 조사했으며, 이들 역시 비전통적 초전도성의 징후를 보였습니다.

2021년, 하버드 물리학자들은 세 층의 그래핀을 쌓고 마법각으로 비틀어, 이중층보다 높은 온도에서 강력한 초전도성을 나타내는 삼층 시스템을 만들었습니다. 외부 전기장에 민감하게 반응하여 전기장의 세기를 조절함으로써 초전도성을 튜닝할 수 있었습니다.

이 실험을 통해 삼층 구조의 초전도성이 강한 전자‑전자 상호작용에 기인하며, 더 높은 온도에서도 견고함을 유지한다는 것을 이해하게 되었습니다.

동년, 프린스턴 연구진은 마법각 그래핀의 초전도성이 고온 초전도체와 놀라운 유사성을 보인다고 보고했습니다.

스캔닝 터널링 현미경(STM)을 이용해 짝을 이룬 전자들이 유한한 각운동량을 가지고 있음을 발견했습니다. 또한 초전도 상태가 온도 상승이나 자기장 적용으로 소멸될 때 전자쌍이 어떻게 행동하는지 조사했습니다. 전통적 초전도체에서는 전자쌍이 풀리지만, 비전통적 초전도체에서는 일부 상관관계가 유지됩니다.

MIT, 실온 초전도체를 향한 길을 개척

초전도체가 전기를 저항 없이 전달할 수 있는 능력은 MRI 스캐너, 전력 전송·저장, 고성능 컴퓨팅, 입자 가속기와 같은 기술에 핵심적입니다.

하지만 기존 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 작동하므로, 초전도 상태를 유지하기 위해 특수 냉각 시스템이 필요합니다.

이 물질들이 더 높고 접근 가능한 온도에서도 초전도 현상을 보인다면, 전 세계 기술 시스템을 재정의할 수 있습니다. 이를 목표로 MIT 과학자들은 전통적 행동과 다른 비전통적 초전도체를 연구하고 있습니다.

최근 MIT 물리학자들은 “마법각” 트위스티드 삼층 그래핀(MATTG)에서 이 현상을 직접 확인했으며, MATTG가 비전통적 초전도성을 품을 수 있음을 입증했습니다.

연구 공동 1인자인 정민 박(Jeong Min Park) 교수는 전통적 초전도체에서는 쿠퍼쌍이 서로 멀리 떨어져 약하게 결합하지만, 마법각 그래핀에서는 이 쌍이 마치 분자처럼 매우 강하게 결합된 징후를 이미 볼 수 있었다고 설명했습니다.

이전 연구들은 단서를 제공했지만 정확히 확인되지 않았습니다. 연구진은 마법각 그래핀에서 초전도 갭을 식별하는 것이 가장 큰 난관이었다고 밝혔습니다.

MIT 팀은 MATTG의 초전도 갭을 성공적으로 측정했으며, 온도에 따라 초전도 상태의 강도가 어떻게 변하는지 보여주었습니다. 그들이 발견한 갭은 전통적 초전도체와 전혀 다른 형태였으며, MATTG의 초전도성이 특이한 메커니즘에 의존한다는 것을 시사합니다.
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연구 공동 1인자인 MIT 물리학과 대학원생 순쉔(Sun) 교수는 초전도 갭이 어떤 메커니즘이 실온 초전도체를 가능하게 하는지에 대한 힌트를 제공한다고 언급했습니다.

“물질이 초전도 상태가 되면 전자들이 개별이 아니라 짝을 이루어 움직이며, 이 짝을 묶는 에너지 갭이 존재합니다. 그 갭의 형태와 대칭은 초전도성의 근본적인 성질을 알려줍니다.”

– 박

비전통적 메커니즘을 입증하기 위해 팀은 2차원(2D) 물질에서 초전도 갭이 형성되는 과정을 직접 관찰할 수 있는 새로운 실험 시스템을 사용했습니다.

이를 위해 연구진은 터널링 분광법을 활용했습니다. 이 양자 규모 기술에서는 전자가 파동이자 입자처럼 행동해 일반적으로 통과할 수 없는 장벽을 ‘터널링’할 수 있습니다. 전자가 물질을 얼마나 쉽게 터널링하는지를 조사함으로써 전자들이 물질 내부에서 얼마나 강하게 결합되어 있는지를 알 수 있습니다.

이번 실험에서는 MATTG의 두 층 사이에 전자를 터널링시켜 초전도 상태를 측정했습니다.

하지만 이 방법만으로는 물질의 초전도성을 완전히 입증하기 어려워, 직접적인 측정이 필수적이며 동시에 도전적입니다. 그래서 팀은 터널링 분광법과 전기 전송 측정을 결합해 전류가 흐르는 방식을 동시에 추적했습니다.

이 접근법을 MATTG에 적용한 결과, 물질이 저항이 0이 될 때만 나타나는 초전도 터널링 갭을 명확히 확인했습니다.

온도와 자기장을 변화시켰을 때, 이 갭은 전통적 초전도체에서 보이는 평탄한 형태가 아니라 뚜렷한 V자형 곡선을 보였습니다. 연구에 따르면, 이 독특한 저에너지 초전도 갭은 초전도 임계 온도와 자기장에서 사라집니다.

특이한 형태는 MATTG 초전도성의 새로운 메커니즘을 시사하며, 아직 정확히 밝혀지지는 않았지만 이 물질이 기존 초전도체와는 다르게 행동한다는 것을 명확히 보여줍니다.

대부분의 초전도체에서는 격자 진동에 의해 전자들이 서로 끌어당겨 짝을 이루지만, MATTG에서는 전자 자체가 강한 전자 상호작용을 통해 서로를 도와 짝을 이루어, 특수한 대칭을 가진 초전도 상태를 만든다고 박 교수는 설명했습니다.

팀이 초전도 갭을 직접 관찰할 수 있게 한 기술, 즉 터널링 분광법과 전송 측정의 결합은 이제 다양한 트위스트 및 층 구조 물질을 연구하는 데 활용될 예정입니다.

이 설정을 통해 “동일 샘플 내에서 초전도와 다른 양자 상의 전자 구조를 실시간으로 식별하고 연구할 수 있다”는 점에서, 전자 쌍이 어떻게 형성되고 다른 상태와 경쟁하는지를 파악해 향후 더 효율적인 기술이나 양자 컴퓨터에 전력을 공급할 새로운 초전도체와 양자 물질을 설계·제어하는 길을 열어줄 것이라고 박 교수는 강조했습니다.

연구팀은 이 실험 장치를 활용해 MATTG뿐 아니라 다른 2D 물질도 더 자세히 조사해 차세대 기술에 적합한 새로운 후보 물질을 찾을 계획입니다.

“하나의 비전통적 초전도체를 깊이 이해하면 나머지에 대한 이해도 촉발될 수 있다”고 MIT 물리학과 Cecil 및 Ida Green 교수인 하릴로‑헤레로가 말했습니다. “이해가 진전되면 예를 들어 실온에서 작동하는 초전도체 설계에 큰 도움이 될 것이며, 이는 전체 분야가 추구하는 성배와도 같습니다.”

전자들을 초유체로 만드는 양자 기하학의 역할

MIT의 최신 마법각 삼층 그래핀 발견이 비전통적 초전도성을 이해하는 데 큰 도약을 이룬 반면, 보완적인 연구들도 전자쌍이 물질을 통해 얼마나 쉽게 흐르는지와 같은 핵심 세부 사항을 채우는 데 기여하고 있습니다.

초전도 물질에서 전자는 마찰 없이 움직이지만, 전자쌍이 흐르는 용이성은 전자쌍의 밀도와 같은 요인에 따라 달라집니다. “초유체 강성”이라는 용어는 초전도 시스템이 전자쌍 흐름의 변화를 얼마나 저항하는지를 나타내며, 초전도성을 판단하는 핵심 지표입니다.

올해 초 MIT와 하버드 대학 물리학자들은 마법각 그래핀의 초유체 강성을 직접 측정해 물질이 어떻게 초전도하는지를 더 잘 이해하려 했습니다.

이 연구의 목표는 마법각 그래핀의 초전도성을 결정짓는 메커니즘을 규명하는 것이었으며, 이는 주로 양자 기하학, 즉 물질 내 양자 상태의 ‘형태’에 의해 좌우됩니다.

이제 초유체 강성을 직접 측정하기 위해 팀은 다른 2D 초전도 물질에도 적용 가능한 새로운 실험 기법을 개발했으며, “전체 가족…이 탐구를 기다리고 있다”고 말했습니다.

MATBG와 같은 물질에서 쿠퍼쌍이라 불리는 전자쌍은 초유체를 형성해 저항 없이 전류가 흐를 수 있게 합니다. 하지만 전류를 움직이게 하려면 전기장을 가해 약간의 추진력이 필요합니다.

“초유체 강성은 이러한 입자들을 움직이게 하는 것이 얼마나 쉬운지를 나타내며, 초전도성을 구동합니다.”

– 연구 공동 1인자 조엘 왕(Joel Wang), MIT 전자 연구실(RLE) 연구원

이 초유체 강성은 일반적으로 마이크로파 공진기 안에 초전도 물질을 넣어 측정합니다. 마이크로파 공진기에서는 물질이 공진 주파수와 동적 인덕턴스를 초유체 강성에 비례해 변화시킵니다.

하지만 이러한 기술은 MATBG보다 10~100배 더 크고 두꺼운 샘플에만 적용 가능했으며, 원자 두께 초전도체를 측정하려면 새로운 접근법이 필요했습니다.

MATBG와 같은 매우 얇은 물질을 마이크로파 공진기 표면에 손상 없이 부착하는 것이 도전이었습니다. 이는 “이상적인 무손실, 즉 초전도 접촉”을 만들어야 함을 의미했으며, 그렇지 않으면 마이크로파 신호가 손실되거나 반사됩니다.

그래서 팀은 먼저 표준 제작 기술로 MATBG를 만들고, 이를 육각형 붕소질화물(헥사보론 나이트라이드) 절연 시트 두 장 사이에 넣어 원자 구조와 고유 특성을 보존했습니다.

공진기는 대부분 알루미늄으로 만들었고, 끝부분에 소량의 MATBG를 추가했습니다. MATBG에 접촉하기 위해 팀은 매우 날카롭게 식각해 새로 절단된 MATBG의 측면을 노출시켰고, 알루미늄을 증착해 “좋은 접촉을 만들고 알루미늄 리드”를 형성했습니다. 이 리드는 더 큰 알루미늄 마이크로파 공진기에 연결되었습니다.

팀은 이 공진기에 마이크로파 신호를 보내고 공진 주파수 변화를 측정해 MATBG의 동적 인덕턴스를 추정했습니다. 측정된 인덕턴스를 초유체 강성 값으로 변환했을 때, 기존 초전도 이론이 예측한 것보다 훨씬 큰 값을 얻었습니다.

“우리는 기존 기대치보다 10배 높은 초유체 강성을 관측했으며, 온도 의존성이 양자 기하학 이론이 예측한 것과 일치했습니다,” 라고 공동 1인자 미우코 타나카(Miuko Tanaka)가 말했습니다. “이는 양자 기하학이 2차원 물질의 초유체 강성을 지배한다는 역할을 명확히 보여주는 ‘결정적 증거’였습니다.”

초전도 기술에 투자하기

American Superconductor Corporation (AMSC )는 고급 초전도 시스템을 제조하는 에너지 기술 기업으로, 기존 초전도 기술을 상용화하고 전력망 및 해군 분야에 적용하는 데 주력하고 있습니다.

AMSC는 Gridtec, Marinetec, Windtec 등 메가와트 규모 전력 복원력 솔루션의 선도 제공업체입니다.

이 솔루션을 통해 회사는 네트워크 성능·효율·신뢰성을 최적화하는 고급 전력망 시스템, 전력 품질·운용 안전성을 향상시키는 추진·전력 관리 솔루션, 그리고 풍력 터빈 전자 제어·시스템을 제공합니다.