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[IT뉴스]'마법의 각도'로 엇갈려 쌓은 그래핀서 고온초전도체 실마리 발견

온카뱅크관리자

2025-11-07 05:07:32

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 두 '마법 각도 삼중층 그래핀(MATTG)' 층(노란색) 사이에서 전자를 양자 터널링 시키며 초전도 상태를 측정하는 시스템. 보라색은 흑연, 파란색은 그래핀과 비슷한 구조의 2차원 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)를 나타낸다. Pablo Jarillo-Herrero/Science 제공
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 미국 연구팀이 2차원 물질인 그래핀을 특정한 각도로 비틀어 쌓은 삼중층 소재가 전통적인 초전도 원리를 따르지 않는다는 사실을 입증했다. 구체적인 작동 메커니즘을 발견하지는 못했지만 연구팀이 개발한 실험 플랫폼은 향후 새로운 고온 초전도체 탐색에 속도를 붙일 전망이다. 
 파블로 하릴로-헤레로 미국 매사추세츠공대(MIT) 물리학과 교수팀은 그래핀을 특정한 각도로 엇갈리게 쌓은 '매직 앵글 삼중층 그래핀(magic-angle twisted tri-layer graphene, MATTG)'에서 비전통적인 초전도성 원리를 발견하고 연구결과를 6일(현지시간) 국제학술지 '사이언스'에 공개했다.
 초전도성은 전류가 저항 없이 흐르는 성질을 말한다. 전자가 둘씩 짝지어 '쿠퍼쌍(Cooper pairs)'을 이루고 에너지 손실 없이 움직이며 보통 영하 약 30캘빈(K, 절대온도의 단위로 0K은 영하 273.15℃) 이하의 초극저온 상태에서 일어나기 때문에 산업 활용에는 제약이 크다.
 'BCS 이론'은 30K 이하에서 초전도 현상을 설명하는 전통적인 이론이다. 1986년 기존 초전도체보다 상대적으로 고온인 35K에서 초전도 현상을 보이는 고온초전도체가 등장했다. 고온초전도체를 처음 발견한 과학자들은 1987년 노벨 물리학상을 받았다.
 초전도체가 실온에 가까운 온도에서 작동하면 에너지 손실이 없는 전력망 구현 등으로 인류의 기술에 새로운 차원을 열 것으로 기대된다. 물리학자들이 BCS 이론으로 설명할 수 없는 고온초전도체 등 '비전통적 초전도체'의 원리를 탐구하는 이유다. 
 탄소 원자(C)가 육각형으로 결합해 단일층을 이루는 그래핀은 특정한 각도로 비틀어 여러 장을 쌓았을 때 독특한 전기적 현상을 구현해 과학자들의 관심이 높다. 특히 각도를 1.1도로 비틀어 쌓은 '마법 각도(magic-angle) 그래핀'은 초전도 특성을 보인다는 특징이 있다. 하릴로-헤레로 교수팀은 2018년 마법 각도 그래핀을 처음 제작했다.
 연구팀은 MATTG의 '초전도 갭'을 측정하는 시스템을 구현했다. 초전도 갭은 어떤 물질에서 초전도 상태가 깨지기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽을 말한다. 초전도 갭이 클수록 쿠퍼쌍이 깨지지 않아 상대적으로 고온에서 초전도 특성이 유지된다.
 연구팀이 초전도 갭을 측정하기 위해 활용한 '터널링 분광법'은 전자가 물질로 '양자 터널링(tunneling)'하기가 얼마나 쉬운지 측정한다. 측정한 물질 내부의 전자들이 얼마나 빽빽하게 배열되거나 강하게 결합돼 있는지 간접적으로 파악하는 방법이다. 양자 터널링은 입자가 파동적 특성 덕분에 고전역학에서는 통과할 수 없는 벽을 통과해 존재할 수 있는 현상이다.
 연구팀이 터널링 분광법으로 MATTG의 초전도 갭을 측정한 결과 온도와 자기장의 변화에 따라 V자 모양의 그래프를 그렸다. 전통적인 초전도체는 평평하고 균일한 그래프를 그린다. 이번 발견은 MATTG의 초전도성이 BCS 이론을 따르지 않는 비전통적 초전도체라는 가장 직접적인 증거로 평가된다.
 연구팀이 MATTG의 초전도 특성 메커니즘을 명확히 밝힌 것은 아니지만 물질의 초전도 현상을 관찰할 수 있는 실험 플랫폼을 마련했다는 점에서 의미가 크다.
 연구팀은 이번에 개발된 플랫폼을 활용해 MATTG의 성질을 밝혀내는 후속 실험과 다른 2차원 물질의 초전도 갭을 조사하며 유망한 고온초전도체 후보 물질을 탐색할 예정이다. 
 논문 제1저자인 박정민 미국 프린스턴대 물리학과 교수는 "새로운 실험 플랫폼은 전자가 어떻게 쿠퍼쌍을 이루는지 밝혀내 더 효율적인 기술이나 양자컴퓨터를 구동할 수 있는 새로운 초전도체와 양자 물질을 설계하고 제어하는 길을 열 것"이라고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1126/science.adv8376
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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