[쿠키과학] '극저온 양자물질 전자, 눈으로 본다'… KAIST, 양자물질 속 전자 '군무' 확인

액체헬륨 기반 극저온 환경에서 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM) 기술을 활용해 양자물질 NbSe2에 형성된 전하밀도파의 공간적 변화를 측정하는 실험 상상도. KAIST

KAIST가 양자물질 내부에서 전류 손실 없이 흐르는 초전도 현상 핵심인 전자 질서가 만들어지고 사라지는 순간을 세계 최초로 확인했다.

KAIST 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수팀은 미국 스탠퍼드대와 국제 공동연구로 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)가 형성되고 사라지는 과정을 공간적으로 시각화했다.

전하밀도파는 특정 양자물질을 매우 낮은 온도로 식혔을 때 전자들이 마치 군무를 추듯 일정한 간격으로 늘어서며 무늬를 만드는 현상이다.

이처럼 전자들이 서로 강하게 얽혀 만들어내는 특별한 양자 상태는 양자컴퓨터와 같은 차세대 양자기술 핵심 기반이 된다.

초전도는 에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 상태로, 특정 물질의 극저온에서만 나타난다.

전자들은 일반적인 환경에서 서로 밀어내지만, 초전도 상태에서는 둘씩 짝을 이뤄 움직인다.

이런 성질은 의료용 자기공명영상장치(MRI), 자기부상열차 등에서 이미 활용하고 있다.

하지만 극저온 환경에서 전자들이 만들어내는 전하밀도파 무늬 패턴이 어떻게 생기고 사라지는지는 직접 관측하기 어려웠다.

베일에 싸였던 전자 무늬의 붕괴 경로

연구팀은 전자 질서를 관찰하기 위해 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 ‘4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)’ 기술을 결합했다.

4차원 주사투과전자현미경은 전자빔이 시료 나노미터 영역을 훑으며 각 지점 전자 무늬 세기를 지도처럼 재구성하는 첨단 기법이다.

관측 결과 전하밀도파 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 퍼지지 않았다.

어떤 영역에서는 줄무늬가 또렷하게 나타났지만, 바로 옆 영역에서는 거의 보이지 않았다.

연구팀은 이를 ‘호수가 한 번에 얼지 않고 얼음과 물이 섞여 남는 모습’에 비유했다.

아울러 이런 불균일성 원인도 분석했다.

눈으로 감지하기 어려운 수준의 아주 미세한 변형이 존재하는 구간에서 전자 무늬가 형성되지 않거나 약해지는 경향이 뚜렷했다.

이는 작은 압력이나 뒤틀림은 전자들이 만드는 질서를 방해해 전하밀도파가 지역적으로 끊김을 의미한다.

반대로 온도가 올라가 전하밀도파가 전체적으로 약해진 후 일부 영역에서 무늬가 쉽게 사라지지 않고 섬처럼 국소적으로 남는 현상도 관찰됐다.

연구팀은 이런 고립된 양자질서가 비교적 높은 온도까지 유지되는 모습이 기존 이론만으로는 설명이 쉽지 않은 결과로 해석했다.

전자 질서의 거리 세계 최초 정량화

또 연구팀은 이번 연구에서 전하밀도파가 공간적으로 얼마나 멀리까지 이어지는지 ‘전자 질서의 공간적 상관성’을 세계 최초로 정량화했다.

이는 단순히 무늬의 존재 여부를 확인하는 수준을 넘어 전자들이 만들어내는 질서가 어떤 조건에서 연결되고 어떤 조건에서 끊기는지 분석할 수 있는 ‘새 기준’을 제시한 것이다.

전하밀도파와 초전도는 물질에 따라 서로 경쟁하거나 보완하는 관계다.

연구팀은 전하밀도파가 안정적으로 유지되는 조건과 붕괴 경로를 파악하면, 초전도 전류가 더 잘 흐르는 재료를 설계하는 데도 단서를 제공할 수 있을 것으로 분석했다.

이를 통해 극저온에서 전자 질서를 지도처럼 읽을 수 있어 고온 초전도체를 포함한 양자물질 연구도 빨라질 전망이다.

양 교수는 “그동안 이론이나 간접 측정에 의존하던 극저온 전자질서의 미세한 변화를 직접 눈으로 확인할 수 있게 됐다”며 “양자물질의 숨겨진 질서를 밝혀 미래 양자기술의 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구가 될 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 홍석조·오재환·박제민 연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 연구성과는 지난 6일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 게재됐다.

(뒷줄 왼쪽부터)김용관 이성빈 양희준 양용수 (앞줄 왼쪽부터)박제민 홍석조 오재환. KAIST