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(번역) 이국적인 새로운 초전도체, 놀라움과 혼란을 안기다

올해 세 가지 새로운 초전도체 현상이 발견되었으며, 이는 전자들이 마찰 없는 양자 액체로 결합하는 다양한 방식을 보여줍니다. 새로운 초전도체들은 모두 2차원 재료로, 원자들로 구성된 벌집 모양의 시트가 쌓이고 비틀어져 화려한 패턴과 다양한 행동을 생성할 수 있습니다. 

찰리 우드

2024년 12월 6일

올해 초전도성 — 저항 없이 전류가 흐르는 현상 —이 세 가지 서로 다른 재료에서 발견되었습니다. 두 사례는 현상의 교과서적 이해를 확장시켰습니다. 세 번째 사례는 이를 완전히 뒤엎었습니다. "이것은 많은 사람들이 불가능하다고 생각했을 정도로 극히 이례적인 초전도 현상입니다"라고 하버드 대학교 물리학자 아슈빈 비슈와나스(Ashvin Vishwanath)는 말했습니다.

1911년 네덜란드 과학자 헤이크 카메르링 온네스가 전기 저항이 사라지는 현상을 처음 관찰한 이래로 초전도 현상은 물리학자들을 매료시켜 왔습니다. 이 현상의 순수한 신비는 다음과 같습니다: 전기 전류를 운반하는 전자들이 짝을 이뤄야 합니다. 전자들은 서로를 밀어내는데, 어떻게 짝을 이룰 수 있을까요?

기술적 잠재력도 있습니다. 이미 초전도성은 MRI 기계와 강력한 입자 가속기의 개발을 가능하게 했습니다. 물리학자들이 이 현상이 어떻게 그리고 언제 발생하는지 완전히 이해한다면, 현재처럼 저온에서만 작동하는 것이 아니라 일상 조건에서도 전기를 초전도하는 전선을 설계할 수 있을지도 모릅니다. 세계를 바꿀 기술 — 손실 없는 전력망, 자석으로 떠다니는 차량 —이 따라올 수 있습니다. 최근의 발견들은 초전도 현상의 신비를 더욱 깊게 만들며 동시에 기대감을 높였습니다. "재료 분야에서 초전도 현상은 everywhere에 존재하는 것 같습니다"라고 워싱턴 대학교의 물리학자 매튜 야코비츠는 말했습니다.

이 발견들은 재료 과학의 최근 혁명을 바탕으로 합니다: 새로운 초전도 현상의 세 가지 사례 모두 평평한 원자 시트로 구성된 장치에서 발생했습니다. 이 재료들은 전례 없는 유연성을 보여줍니다. 물리학자들은 버튼을 누르는 것만으로 이 재료들을 전도체, 절연체, 그리고 더 이국적인 상태로 전환할 수 있습니다 — 이는 초전도 현상 탐색을 가속화한 현대적인 형태의 연금술입니다.

이제 다양한 원인이 이 현상을 일으킬 수 있다는 가능성이 점점 더 높아지고 있습니다. 새, 벌, 잠자리 등이 서로 다른 날개 구조로 날아가는 것처럼, 재료는 전자를 서로 다른 방식으로 짝지어 결합합니다. 연구자들이 현재 논의 중인 다양한 2차원 재료에서 정확히 어떤 현상이 발생하고 있는지 논쟁 중이지만, 초전도체의 다양성이 늘어남에 따라 이 매력적인 현상에 대한 보편적인 이해를 달성하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

전자의 짝짓기

카멜링 온네스의 관찰(및 극저온 금속에서 관찰된 초전도성)은 1957년에 마침내 해결되었습니다. 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 발견했습니다 저온에서 물질의 불안정한 원자 격자가 안정화되면서 더 미묘한 현상이 나타난다는 것을. 전자들은 격자 내의 양성자를 부드럽게 끌어당겨 내쪽으로 이동시켜 양전하 과잉을 생성합니다. 이 변형은 '포논'으로 알려져 있으며, 두 번째 전자를 끌어당겨 '쿠퍼 쌍'을 형성합니다. 쿠퍼 쌍은 단독 전자들이 할 수 없는 방식으로 일치된 양자 실체로 결합할 수 있습니다. 이 양자 혼합물은 재료의 원자 사이를 마찰 없이 미끄러지며, 일반적으로 전기 흐름을 방해하는 원자 사이의 장벽을 극복합니다.

바르딘, 쿠퍼, 슈리퍼의 포논 기반 초전도성 이론은 1972년 물리학 노벨상을 수상했습니다. 하지만 이는 전체적인 설명이 아니었습니다. 1980년대 물리학자들은 구리 함유 결정체인 구리산화물(cuprates)이 포논이 소멸되는 높은 온도에서 초전도성을 보인다는 사실을 발견했습니다. 유사한 사례들이 이어졌습니다.

헤이크 카메링 온네스(왼쪽)는 1911년 초전도 현상을 우연히 발견했습니다. 이 현상의 설명은 알버트 아인슈타인과 다른 학자들도 1950년대까지 풀지 못했지만, 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼(오른쪽 사진, 왼쪽부터 오른쪽)는 원자 진동인 포논이 작용한다는 것을 밝혀냈습니다. 왼쪽부터: Chronicle/Alamy; AIP Emilio Segrè Visual Archives

이론가들은 전자 쌍을 형성하는 새로운 방법을 모색했습니다. 고온 초전도체는 원자가 전자 속도를 늦추는 방식으로 배열된 것으로 보였습니다. 전자들이 여유롭게 섞일 기회를 얻으면, 그들은 복잡한 전기장을 생성해 새로운 현상을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 서로 밀어내는 대신 쌍을 형성하는 것입니다. 물리학자들은 특히 구리 산화물에서 전자들이 원자 사이를 이동하는 특정 방식이 쌍을 형성하는 것을 선호한다고 의심하고 있습니다. 그러나 다른 '비전통적' 초전도체는 여전히 신비로움을 간직하고 있습니다.

2018년, 새로운 초전도체가 물리학자들의 시야를 넓혔습니다.

파블로 하릴로-헤레로, 매사추세츠 공과대학의 물리학자는 탄소 원자가 벌집 모양의 격자로 배열된 2차원 결정인 그래핀 시트를 정확히 1.1도 회전시킨 후 다른 그래핀 시트 위에 쌓으면 두 층이 초전도 현상을 보인다는 것을 발견했습니다. 연구자들은 이미 2차원 재료에 관심을 기울이며 다양한 현상을 탐구해 왔습니다. 전기장을 적용하면 시트에 전자를 추가하거나 전자가 원자 격자가 수축하는 것처럼 느끼게 할 수 있었습니다. 단일 2차원 장치에서 이러한 설정을 조정하면 수천에서 수백만 개의 잠재적 재료의 행동을 재현할 수 있었습니다. 그 수많은 가능성 중 하나가 바로 Jarillo-Herrero가 보여준 새로운 초전도체: “매직 각도” 그래핀입니다.

그 후 몇 년 후, 캘리포니아의 한 연구팀은 마법 각도를 제거하고, 3층 구조의 비틀림 없는 그래핀 장치도 초전도성을 나타낸다는 것을 발견했습니다.

Mark Belan/Quanta Magazine

연구자들은 여전히 이러한 경우에 전자들이 서로 붙어 있는 이유를 논의 중입니다. 포논은 일부 데이터와 일치하지만, 새로운 현상도 책임이 있는 것으로 보입니다.

하지만 물리학자들을 정말로 흥분시킨 것은 초전도성을 일반적인 방식으로 조사하는 새로운 방법의 가능성입니다. 맞춤형 2차원 장치는 연구자들이 새로운 결정체를 하나씩 설계하고 성장시키고 테스트하는 번거로움에서 해방시켜주었습니다. 연구자들은 이제 단일 장치에서 다양한 원자 격자의 효과를 빠르게 재현하고 전자들이 정확히 무엇을 할 수 있는지 확인할 수 있게 되었습니다.

이 연구 전략은 이제 결실을 맺고 있습니다. 올해 물리학자들은 그래핀을 제외한 2차원 재료에서 초전도성의 첫 사례를 발견했으며, 새로운 그래핀 시스템에서 완전히 새로운 형태의 초전도성도 발견했습니다. 이 발견들은 이전의 그래핀 초전도체가 야생의 새로운 정글의 가장자리만을 표시한다는 것을 입증했습니다.

힌트가 입증되다

2020년, 컬럼비아 대학교의 물리학자 코리 디언와 그의 연구팀은 다른 2차원 결정의 시트를 쌓아보는 실험을 진행했습니다. 이 결정은 두 종류의 원자가 벌집 모양으로 배열된 전이금속 이황화물(TMD)이었습니다. 시트를 5도 회전시키자 저항이 0으로 급감했지만 그 상태를 유지하지 않았습니다. 이는 초전도성의 모호한 단서였습니다.

이 탐지의 임시적 성격은 MIT의 Liang Fu와 루이지애나 주립 대학의 Constantin Schrade가 이를 설명하려고 시도하는 것을 막지 못했습니다. 그들은 포논이 답이 아니라고 의심했습니다. 비틀어진 재료는 비틀림이 전자들이 경험하는 것을 변화시켜 재료에 kaleidoscopic "moiré" 패턴을 부여하기 때문에 강력합니다. moiré 패턴은 인공 원자처럼 작용하는 큰 육각형 셀을 포함하며, 이 셀은 전자들을 수용합니다. 이 새로운 환경에서 전자들은 집단적인 전기적 상호작용이 그들의 행동을 안내할 만큼 충분히 천천히 움직입니다.

5W 인포그래픽; Mark Belan/Quanta Magazine

하지만 전자들은 어떻게 쌍을 형성하기 위해 협력했을까요? 컬럼비아 연구진은 전자들을 모이어 패턴으로 유도했습니다. 그들은 모이어 재료의 각 큰 셀에 전자 하나씩 존재할 때, 이 전자들이 '반강자성' 배열을 취한다는 것을 관찰했습니다. 그들의 내재적 자기장은 위와 아래로 번갈아 가며 향하는 경향을 보였습니다. 모이어에 추가 전자들을 넣자 저항이 0으로 떨어졌습니다 — 쿠퍼 쌍이 형성된 것입니다. 푸와 슈라데는 동일한 전자 간 상호작용이 반강자성 상태와 초전도 상태 모두를 가능하게 한다고 주장했습니다. 한 셀당 한 개의 전자일 때는 각 전자에 선호하는 위치와 자기 방향이 있을 수 있습니다. 하지만 추가 전자들이 쌓이면서 자기 배열이 불안정해지고, 전체 전자 집단이 자유롭게 흐르기 시작합니다.

코리 디언과 컬럼비아 대학교 연구진은 2020년 2차원 TMD 재료에서 초전도성의 미약한 흔적을 발견했습니다. 올해 이 발견을 확인했습니다.

코리 디언 제공 과학 저널들은 TMD가 초전도성을 가질 수 있다는 증거가 부족하다는 이유로 푸와 슈라데의 논문을 처음 거부했습니다. 이제 그 증거가 있습니다. 컬럼비아 연구진은 지난 4년간 저온에서 전기 저항을 측정하는 기술을 개선해 왔으며, 올해 초 돌파구를 마련했습니다. 그들은 5도 회전된 두 장의 장치를 조립하고 냉각시킨 후 초전도 현상을 관찰했습니다 — 이 관측 결과는 곧 _Nature_에 게재될 예정입니다. “놀랍게도, 우리가 존재한다고 생각했던 상태가 정확히 예상된 위치에서 나타나고 있습니다”라고 Dean은 말했습니다. “약간의 보상이네요.” Fu와 Schrade의 이론 — 컬럼비아 대학의 확인으로 강화된 —은 이제 발표되었지만, 아직 증명되지 않았습니다. 이를 테스트하는 한 가지 방법은 이론이 예측하는 대로 쿠퍼 쌍이 회전할 수 있는지 확인하는 것입니다. 이는 전자들이 포논에 의해 짝을 이룬 경우 서로를 공전하지 않기 때문에 이례적인 특징입니다.

TMDs에서 초전도성을 유발하는 방법은 반강자성 금속에 전자를 추가하는 것만이 아닙니다. 컬럼비아 대학의 발견 직전, 다른 연구팀은 동일한 재료에서 훨씬 더 특이한 형태의 초전도성을 발견했습니다.

Jie Shan와 Kin Fai Mak, 코넬 대학교에서 연구실을 운영하는 학술적 파워 커플는 코넬 대학교에서 연구실을 운영하는 학자 부부로, 2018년 Jarillo-Herrero의 획기적인 비틀린 그래핀 발견 이후 TMD에서 초전도성을 찾아왔습니다. 그들은 5종의 TMD 결정체를 혼합하고 조합하며, 다양한 비틀림 각도와 온도를 실험하고, 재료에 다양한 전기장 강도를 적용하는 등 수년간 연구를 진행했습니다. 이는 초전도 장치를 찾기 위해 방대한 양의 자료를 뒤지는 과정이었습니다.

마지막으로 바늘이 나타났을 때, 그것은 누구도 예상하지 못한 새로운 유형의 초전도성을 보여주었습니다. 컬럼비아 팀은 반강자성 금속에서 시작해 전자를 추가했습니다. 반면 코넬 팀은 절연체에서 시작해 아무것도 추가하지 않았습니다. 그들의 모이어 패턴(3.5도라는 더 부드러운 비틀림에서 비롯됨)은 전자가 극도로 느려지고 강하게 상호작용해 각 셀당 정확히 한 개의 전자만 고정되도록 했습니다.

코넬 대학교의 킨 페이 맥(왼쪽)과 지에 산이 이끄는 연구팀은 최근 TMD 장치에서 이례적인 초전도 현상을 발견했습니다.

사샤 마슬로프 그 후 연구진은 적용된 전기장의 강도를 조정하는 것만으로 장치를 초전도 상태로 만들었습니다. 이 결과는 연구진이 10월에 Nature에 보고한 바와 같이, 기존 초전도 이론과 완벽히 일치하지 않습니다.

“정말 다른 것이 일어나고 있는 것 같습니다”라고 비슈와나스는 말했습니다.

가장 이국적인 존재

지금까지 초전도성이 TMD로 확산되는 동안 그래핀은 계속해서 놀라움을 안겨주고 있습니다. 올여름, 그래핀 장치는 신화적인 형태의 초전도성을 생성했습니다.

“이것은 모든 다른 초전도체와 현상학적으로 다릅니다,”라고 MIT의 Long Ju는 말했습니다. 이는 “1911년 Kamerlingh Onnes 이후 발견된 모든 초전도체와 비교할 때”입니다

주(Ju)는 비틀림이 너무 복잡하다고 생각합니다. 시트에 생기는 주름이 모이어 패턴을 방해해 각 장치가 조금씩 다르게 되기 때문입니다. 대신 그는 전자 속도를 늦출 수 있는 계단 모양의 4층 그래핀 배열을 연구합니다. 과제는 자연적으로 이 계단 구조를 가진 그래핀 조각을 찾는 것인데, 주 교수는 적외선 카메라의 도움을 받아 이를 달성했습니다. "네 개의 다른 층을 골라 쌓을 필요는 없습니다"라고 주 교수는 말했습니다. "자연이 대신 해줍니다. 단지 그 구조를 볼 수 있는 눈만 있으면 됩니다."

지난해 주 교수 연구진은 절연체 위에 비틀어진 각도로 배치된 다섯 층의 그래핀 조각에서 희귀한 전자 현상을 관찰해 주목을 받았습니다. 이 현상은 일반적으로 강한 자기장이 필요로 합니다. 이론가들은 비틀림이 필수적인지 의문을 제기하자, 그는 팀과 함께 비틀림을 제거했을 때 어떤 현상이 발생하는지 다시 조사했습니다. “우리는 더 이상한 것을 발견했습니다,” 주가 말했습니다.

그들이 재료에 가한 전기장의 강도를 조절하자 저항이 사라지는 여러 조건을 발견했습니다. 두 경우에서는 초전도성이 깜빡이며 저항이 나타나고 사라졌습니다. 이상하게도 근처 자석을 켜자 깜빡임이 멈췄습니다. 자석은 일반적으로 초전도성을 억제하지만, 여기서는 오히려 강화했습니다. “이 현상은 이론가의 상상 속에만 존재했습니다”라고 주 박사는 설명했습니다.

롱 주(Long Ju)는 자성 존재 시 강도가 강화되는 진정으로 전례 없는 초전도체를 발견하는 데 기여했습니다. 롱 주 제공

주(Ju)의 연구팀은 그들의 그래핀 계단이 전자들이 짝을 지어 회전하는 조건을 창출한다고 의심합니다. 하지만 그들은 그래핀 장치에서 모든 짝이 동일한 방향으로 회전한다고 생각합니다 — 시계 방향이든 반시계 방향이든 — 그리고 짝들이 일치하지 않을 때 플리커가 발생합니다. 자계는 플리커를 제거하기 위해 방향이 어긋난 짝들을 전체 회전 방향과 일치하도록 밀어냅니다. 내부 방향이 선호되는 재료는 '키랄(chiral)'이라고 불리지만, 키랄성은 초전도성을 배제한다고 여겨져 왔습니다. 이는 좌우로 움직이는 전자를 구분해 쌍이 형성되는 것을 막기 때문입니다. "이 환경에서 초전도성이 발생하지 않을 것이라고 생각했습니다"라고 비슈와나스는 말했습니다. "이것은 완전히 새로운 것을 요구합니다."

실제로 이 현상은 매우 이례적이어서 다른 연구자들은 추가 실험을 통해 이를 검증하기를 기다리고 있습니다. "아직 진화 중인 이야기일 가능성이 높습니다"라고 Mak은 말했습니다. "완전히 확인하기 위해서는 추가 데이터가 필요합니다."

이론가들은 한편으로 키랄 초전도성이 어떻게 발생할 수 있는지 새로운 이론을 발표했습니다. Fu와 협력자들은 제안했습니다 9월에 다음과 같은 방법을 제시했습니다: 전자들이 반복되는 결정 구조를 형성하도록 배열합니다 — 절연체와 유사하지만, 이 경우 전자 격자는 배경 원자 핵과 독립적으로 부유할 수 있습니다. 그 다음 전자 격자가 이완되며, 그 파동이 포논처럼 전자 쌍을 형성합니다. Fu는 이는 단순히 한 가지 가능성에 불과하다고 강조하며, “우리는 미지의 영역에 있습니다”라고 덧붙였습니다.

진정한 이해

물리학자들은 이러한 2차원 재료에서 전자 쌍을 형성하는 정확한 메커니즘을 확신할 수 없지만, 이를 달성하는 다양한 방법이 존재한다는 점에 대해 더 확신하고 있습니다. 전자들은 절연체에서 자성 금속, 전자 결정에 이르는 다양한 재료로 조직되며, 약간의 교란이 많은 재료들을 초전도 전자 쌍으로 전환시킬 수 있습니다.

물질에 전자 더 많은 것을 추가하거나 전기장을 약간 약화시킬 때 발생하는 현상을 직접 관찰할 수 있다는 점은 물리학자들이 전례 없는 수의 실험 방법을 빠르게 시도하고 초전도성을 이끌어내는 방법을 찾을 수 있게 합니다. "진정한 가능성"은 각 장치가 "기본적으로 어떤 다른 물질도 만들 수 있는 조절 가능한 실험실"이라는 점이라고 Dean은 설명했습니다

실험가들은 이론가들이 설명할 수 있는 데이터의 보물을 쌓아가고 있습니다. Mak과 Shan은 이 풍부한 데이터가 이론가들이 실험으로 확인할 수 있는 초전도성 생성 방법을 예측하는 데 도움이 될 것이라고 희망합니다. 이는 현상의 진정한 이해를 입증할 것이며, 이는 학문적 성취이자 혁명적인 신기술을 위한 재료 설계의 핵심 단계가 될 것입니다.

하지만 현재로선 실험 연구진이 여전히 선두를 이끌고 있습니다. “모두가 가능한 한 빨리 달려가고 있습니다,”라고 얀코비츠는 말했습니다. “6년이 지났는데도 휴식을 취할 수 없다는 게 믿기지 않습니다.”