[지식보관소] 양자효과 실험에서 새롭게 발견한 초전도체의 예상치 못한 비밀

 

 

얼마 전 프리스턴 대학의 연구팀은

어쩌면 고온 초전도 현상의 원인일지도 모를

하이브리드 토폴로지라 불리는 새로운 양자 효과를 발견했으며

이 내용은 네이처지에 발표가 되었습니다.

 

 

 

우리 주변에 있는 모든 물체들은

주로 고체, 액체 기체의 상태를 지니고 있습니다.

우리가 일상에서 주로 볼 수 있는 상변이는

물이 끓거나 얼어서 고체나 액체 기체가 되는 상변이이지만

딱딱한 철도 섭씨 1,500도가 넘으면 녹아서 액체가 되고

상온에서 기체인 질소도 섭씨 영하 196도 이하가 되면 액화가 되는 등

모든 물질은 이러한 상변이를 가집니다.

 

이러한 상변이들이 생기는 이유는

분자의 운동 상태 때문인데요.

같은 분자구조라도

온도에 따라서 전혀 다른 물리적 성질을 보이는 것이죠.

 

상변이가 분자의 운동 상태

즉 온도 때문에 생기는 현상이라면

전자의 양자역학적인 상태 때문에 변화하는 현상이 있는데

바로 물질의 위상학적인 상태입니다.

 

영어로는 Topology토포로지라고 불리는 물질의 위상은

전자의 배열 상태에 따라서 변하는데요.

도체에 전기가 흐르고, 부도체에는 안 흐르는 이유도

이러한 전자의 위상학적인 상태와 관련이 있을 뿐 아니라

반도체나 초전도 현상과도 연관이 있습니다.

 

때문에 이런 물질 위상학은

최근 들어서 매우 뜨거운 연구 주제 중에 하나가 되고 있죠.

 

얼마 전 프리스턴 대학의 연구팀은

어쩌면 고온 초전도 현상의 원인일지도 모를

하이브리드 토폴로지라 불리는 새로운 양자 효과를 발견했으며

이 내용은 네이처지에 발표가 되었습니다.

 

연구팀은 비소를 포함한 복잡한 분자 구조에서

이전에는 관찰되지 않았던 새로운 형태의 위상학적인

양자 행동을 발견했는데요.

 

주사 터널린 현미경과 광전자 분광법을 사용해서 발견한

새로운 하이브리드 토폴로지라는 위상 상태는

상반된 두 가지의 위상 상태가 동시에 공존하는

매우 특이한 현상이었습니다.

 

마치 양자역학에서 슈뢰딩거 고양이로 유명한

두 가지의 상태가 중첩된 현상이

전자의 위상 배열에도 일어날 수가 있다는 것인데요.

 

연구팀에 따르면 이러한 발견이

이론적으로 전혀 예측되지 못했던 새로운 발견이라는 것입니다.

 

일반적으로 하나의 위상 상태를 가져야 하는 전자의 배열이

양자역학적인 중첩이 될 수 있다는 것은

새로운 양자통신이나 양자컴퓨팅의 응용이 될 수 있다고 연구에서 설명을 했는데

개인적으로 더 흥미로운 것은

이런 이론적으로 예상하지 못했던 현상이

어쩌면 초전도 현상의 원인과 관련이 있을 수도 있다는 것입니다.

 

일반적으로 극저온 초전도 현상은

전자 2개가 쿠퍼쌍을 이루는 BCS 이론으로 설명이 되지만

영하 180도 정도에서 일어나는 고온 초전도 현상은

아직까지 이론적으로 설명이 힘들다는 문제가 있었습니다.

 

이에 대한 물리학적인 가설 중의 하나는

우리가 모르는 어떤 원인으로

위상학적인 초전도 현상이 발생했다는 것이 있는데

지금까지는 이 가설을 뒷받침할 만한 증거가 없었습니다.

 

문제는 이번 연구에서 발견한 하이브리드 토폴로지 현상은

전자의 위상적인 상태가 양자중첩 상태로 존재할 수 있다는 것이며

이게 가능하다면

BCS 이론에서 허용하는 온도보다도

비교적 높은 온도에서도 초전도 현상이 일어날 수가 있는 여지가 생기는 것이며

현재 많이 사용되는 영하 180도 정도의 액체 질소에서

초전도 현상을 보이는 고온 초전도체를 설명할 현상일지도 모른다는 것입니다.

 

또한 전자의 위상을 중첩시킬 수 있는 현상을 기술적으로 응용하면

좀 더 실용적인 양자컴퓨터 설계나 양자암호화 통신 등

다양한 분야의 응용이 가능하기 때문에

특히나 엔지니어들에게는 상당히 흥미로운 연구 내용이고

덕분에 네이처지에도 게재가 된 것입니다.

 

근데 이 영상을 보면서

“어, 이거 두 달 전에 지식 보관소에서 본 내용 같은데?”라고

생각하는 분들이 있을 것 같아서 추가 설명을 하자면

두 달 전에 있었던 그 내용은

퀀텀 볼텍스가 갑자기 사라진 현상이 발견이 되었던 논문이고

이번 내용은 그 후속 연구로

퀀텀 볼텍스가 갑자기 사라졌던 이유가

하이브리드 토폴로지라는 전자의 위상이

양자역학적으로 중첩되는 특이한 현상 때문이었다는 것을 발견한 연구 내용입니다.

 

개인적으로 초전도 현상과 관련이 있을지도 모른다는 부분이

더 흥미가 생기는 이유가

고온 초전도체들이 많이 사용되고는 있지만

이것들이 BCS 이론 같은

기존의 이론으로는 설명하지 못한다는 게

여러 가지 부작용을 만들고 있다는 점 때문입니다.

 

초전도체의 활용성이나 그 파급효과가 엄청나기 때문에

거의 매달마다 해외에서는

새로운 고온초전도체나 상온초전도체까지 발견했다는 논문이 나오고 있고

대부분 검증까지도 오래 걸리고 사실이 아닌 경우가 많은 등

문제가 많았기 때문인데

고온초전도체를 설명할 가설이 증명이 된다면

이러한 문제들도 덜해질 뿐만이 아니라

훨씬 더 좋은 초전도체들이 나올 가능성이 높아지기 때문입니다.

 

아무튼 이번 연구가 엔지니어링적으로 잘 활용이 되어서

양자컴퓨팅이나 양자통신 등 새로운 기술에

혁신을 불러왔으면 좋겠네요.

그럼 이만.