카고메 금속의 평탄 밴드가 미래 초전도체의 가능성을 열다

카고메 초전도체의 새로운 진전

초전도체는 저항 없이 전기를 전달하는 물질이지만, 지금까지는 극한 조건에서만 작동했습니다. 카고메 금속은 이를 바꿀 수 있습니다.”
이 문장은 물리학에 익숙하지 않은 독자들을 위한 배경 설명입니다.

2024년 11월에 소개한자기 이론의 새로운 지평을 연 신물질, 역시 라이스대학교 연구진의 성과입니다.

이 발견은 2022년 발표된 논문에서 연구진이 금속 결정의 한 종류인 ‘카고메 물질’이 놀라운 자기적 특성을 보인다는 사실을 발견한 2022년 연구를 토대로 이루어졌습니다.

카고메라는 이름은 일본 전통 공예의 바구니 짜기 무늬, 즉 삼각형이 겹치고 큰 육각형 빈 공간이 생기는 삼육각형 타일링에서 유래합니다.

출처: Research Gate

철-게르마늄 자성 결정과 같은 카고메 물질도 원자 수준에서 이와 같은 무늬로 배열됩니다.

라이스대학교 연구진이 Nature Communications에 발표한 최신 논문에 따르면, 또 다른 크로뮴 기반 카고메 금속인 CsCr₃Sb₅(세슘-크로뮴-안티모니)는 초전도체, 위상 절연체, 스핀 기반 전자소자 등 미래 전자부품에 매우 큰 잠재력을 지닙니다¹, 논문 제목은 ‘Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor”.

카고메 물질의 자기 및 전자 특성

이미 2022년에 카고메 물질의 독특한 특성이 확인되었습니다.

• 초전도 현상과 마찬가지로 자기 효과가 나타나려면 전자가 카고메 삼각형 주위를 흘러야 합니다.
  • 이러한 자기 및 전하 밀도파 효과는 통상적인 의미의 초전도 현상은 아니지만, 연구진은 카고메 물질에서 이 현상이 상온과 상압에서도 지속될 수 있음을 확인했습니다. 따라서 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 발견하는 데 중요한 디딤돌이 됩니다.
• ‘전하 밀도 파동’이 존재하며, 전자들이 서로 ‘합쳐져’ 집단적인 파동을 이루고 함께 전류를 운반합니다.
  • ‘일반적인’ 초전도 현상처럼 연속적인 전자 흐름이라기보다 수도꼭지에서 물방울이 떨어지듯 펄스 형태로 나타납니다.
• 카고메 물질은 전하 밀도파를 보이면서도 자기적 특성도 나타냅니다. 일반적으로 이 두 특성은 서로 양립하기 어렵습니다.

전반적으로 카고메 물질의 고도로 규칙적인 구조는 ‘비전통적 초전도성’이나 ‘양자 스핀 액체에서 자기 상태 사이의 지속적인 변동’처럼 전자기학에 대한 현재 이해의 경계에 있는 현상을 더 쉽게 연구하도록 도울 수 있습니다.

카고메 초전도체 만들기

평탄 밴드 전자

평탄 밴드 전자 은 일정한 에너지, 즉 ‘평탄한’ 분산을 갖는 특수한 전자 에너지 밴드에 놓인 전자입니다. 이는 운동량과 관계없이 전자의 운동에너지가 같다는 뜻입니다.

쉽게 말하면 전자가 초전도체처럼 행동할 수 있는 초고밀도 상태이지만, 초저온이나 초고압과 같은 일반적인 초전도 전제 조건은 필요하지 않다는 의미입니다.

지금까지 필요한 에너지 준위에 평탄 밴드를 형성하도록 카고메 격자를 안정화하는 것은 어려웠습니다. CsCr₃Sb₅를 사용하면서 상황이 달라졌습니다.

“우리의 결과는 놀라운 이론적 예측을 확인하며, 화학적·구조적 제어를 통해 이색 초전도 현상을 설계할 수 있는 경로를 제시합니다.”
Pengcheng Dai – 라이스대학교 물리학 및 천문학과

올바른 결정 만들기

CsCr₃Sb₅는 본래 층상 육각 격자로 결정화됩니다.

출처: Nature Communications

그러나 이 효과를 대규모로 관찰하고 향후 상용화에 활용할 수 있는 물질을 만들려면 훨씬 더 큰 결정이 필요했습니다.

연구진은 기존 방법을 개선해 이전보다 100배 큰 시료를 제작하는 데 성공했습니다.

ARPES와 RIXS를 이용한 카고메 초전도체 CsCr₃Sb₅ 분석

연구진은 CsCr₃Sb₅의 전자 구조를 시각화하기 위해 각분해 광전자분광법(ARPES)을 사용했습니다. 이 기법은 입자가속기인 싱크로트론에서 생성한 빛으로 전자 지도를 만듭니다.

출처: Nature Communications

그 결과, 전자 평탄 밴드의 징후인 조밀한 분자 궤도와 관련된 뚜렷한 신호가 나타났고, 모든 편광 기하 구조가 평탄 밴드 형성에 기여한다는 사실이 확인되었습니다.

“공동 연구팀의 ARPES 및 RIXS 결과는 이 물질의 평탄 밴드가 수동적인 관찰자가 아니라 자기적·전자적 환경을 형성하는 적극적인 요소라는 일관된 그림을 제시합니다.”
Qimiao Si – 라이스대학교 물리학 및 천문학과

연구진은 이어 공명 비탄성 X선 산란(RIXS)을 이용해 자기 여기 상태를 측정했습니다.

이 결과 역시 ARPES 결과와 독립적으로 평탄 밴드의 존재를 확인했습니다.

출처: Nature Communications

온도 변화가 카고메 초전도성 잠재력에 미치는 영향

연구진은 이 새로운 물질의 특성이 온도 변화에 따라 어떻게 달라지는지도 확인했습니다.

다른 초전도 후보 물질과 달리 이 물질의 특성은 140°K(-133°C/-207°F)에서 10°K(-263°C/-441°F)보다 더 우수했습니다.

출처: Nature Communications

종합하면, 이 실험들은 매우 유망한 신물질을 찾아냈을 뿐 아니라 격자 기하 구조가 새롭게 출현하는 양자 상태와 직접 연결된다는 점도 보여주었습니다.

“활성 평탄 밴드를 확인함으로써 격자 기하 구조와 새롭게 출현하는 양자 상태 사이의 직접적인 연관성을 입증했습니다.”
Ming Yi – 라이스대학교 물리학·천문학과 교수 ​​ ​​

잠재적 응용 분야

평탄 밴드의 상태 밀도는 양자 임계점에 가까운 에너지 준위에 있어 초전도 현상을 가능하게 할 수 있습니다.

이는 기존 카고메 금속 격자보다도 개선된 결과입니다. 카고메 평탄 밴드는 물질의 훨씬 넓은 영역에서 높은 상태 밀도를 제공하기 때문입니다.

CsCr₃Sb₅는 다른 카고메 물질에서 관찰되는 밀도파도 억제해 초전도 잠재력을 더욱 높입니다.

고온 또는 상온 카고메 초전도체가 실현되면 양자 컴퓨팅, 스핀트로닉스 전자부품(저전력 전자기기), 위상 물질 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다(마이크로소프트의 새로운 물질 상태와 유사한 (MSFT ) 양자 컴퓨팅 팀).

또한 자기부상열차, 군사 기술, 발전에 사용할 수 있는 ‘고온 초전도체’만으로도 큰 잠재력이 있습니다.

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초전도 솔루션 선도 기업

AMSC는 전력망, 선박 및 풍력 에너지에 대한 에너지 솔루션을 제공하는 기업입니다. 일반적으로 시스템이 전력을 많이 소비하거나 규모가 클수록 과열을 방지하기 위해 초전도 기술이 더 필요합니다.

이름과 달리 AMSC는 초전도 시스템뿐 아니라 풍력 터빈용 기어 구동계 등도 제공합니다.

이 회사는 전기화 및 디지털화(AI 데이터 센터 포함) 추세, 미국 제조 역량의 재배치, 그리고 증가하는 지정학적 위험에 대응하여 영연방 해군의 현대화 필요성 등 다양한 성장 동력을 타고 있습니다.

출처: American Superconductor Corporation

전력 공급 부문에서 AMSC의 수주량은 꾸준히 증가했습니다. 반도체 공장이 전력망 변동으로부터 설비를 보호하려는 수요, 재생에너지의 간헐성에 대응하려는 전력망 수요, 산업 현장의 전력 공급 및 제어 수요가 성장을 이끌었습니다.

풍력 터빈 부문에서 AMSC는 주로 전기 제어 시스템(ECS)을 공급합니다. 과거 2MW 풍력 터빈용 ECS는 회사의 강력한 사업 부문이었지만 점차 축소되었습니다. AMSC는 인도 시장에 특히 집중한 새로운 3MW 터빈 설계를 통해 반등을 노리고 있습니다.

출처: American Superconductor Corporation

군함용으로 AMSC는 함정의 자기 신호를 바꿔 기뢰로부터 보호하는 ‘AMSC 고온 초전도 자기 기뢰 대응 시스템’을 제공합니다. 이 시스템은 미국·캐나다·영국 해군에 판매됐으며 현재까지 수주액은 7,500만 달러입니다.

전반적으로 AMSC는 현재 실현 가능한 틈새 분야에서 초전도 기술을 상용화하는 데 가장 성공한 기업 중 하나이며, 향후 기술 발전을 적용할 준비도 갖추고 있습니다. 다만 과거 주가 변동성이 매우 컸던 만큼 투자자는 그 위험을 고려해야 합니다.

최신 American Superconductor Corporation(AMSC) 주식 뉴스 및 실적

참조 연구

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}