지금까지 초전도 재료는 ‘s-wave’와 ‘d-wave’ 두 가지 유형이었다. 코넬대(Cornell University) 연구원들은 가능한 세 번째 유형 ‘g-wave’ 초전도체를 발견했다.

초전도체의 전자는 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)으로 알려진 것으로 함께 움직인다. 이 ‘페어링(pairing)’은 초전도체에 전기 저항이 없는 특성을 부여한다. 저항을 생성하려면 쿠퍼 쌍을 분리하는 에너지가 필요하다. 납, 주석 및 수은과 같은 일반적으로 통상 물질 s- 파 초전도체에서 쿠퍼 쌍은 하나의 전자가 위를 향하고 하나는 아래를 향하며 순 각운동량(net angular momentum)없이 서로를 향해 정면으로 이동한다.

최근 수십 년 동안 새로운 종류의 물질이 d 파 초전도성이라고 불리는 것을 보여 주었으며, 쿠퍼 쌍은 두 개의 각운동량을 가지고 있다. 물리학자들은 소위 “단일(singlet)”상태라고 하는 이 두 가지 상태 사이에 세 번째 유형의 초전도체가 존재한다는 이론을 세웠다. 즉, 각운동량의 한 퀀타를 갖는 p 파 초전도체와 반 평행 스핀이 아닌 평행한 전자가 쌍을 이룬다. 이 스핀-트리플릿 초전도체는 자체 반입자인 독특한 입자 ‘마요라나 페르미온(Majorana fermions)’을 생성하는 데 사용될 수 있기 때문에 양자 컴퓨팅의 주요 돌파구로 기대된다.

20년 이상 p-파 초전도체의 주요 후보 중 하나는 스트론튬 루테 네이트 (Sr2RuO4) 였지만 최근 연구는 새 방향을 제시했다. 코넬대 브레드 렘쇼(Brad Ramshaw) 연구팀은 스트론튬 루테 네이트가 매우 바람직한 p파 초전도체인지 여부를 결정했다. 고해상도 공명 초음파 분광법을 사용해 이 물질이 잠재적으로 완전히 새로운 종류의 초전도체인 g-파라는 것을 발견했다.

렘쇼와 논문 주저자인 박사과정 사야크 고쉬(Sayak Ghosh)는 공명 초음파 분광기를 사용해 독일 막스 플라크 고체 화학 물리학 연구소(Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids)의 공동 연구자들이 성장하고 정밀하게 절단한 스트론튬 루테 네이트 결정에서 초전도의 대칭 특성을 연구해왔다. 그러나 이전 연구와 달리 연구팀은 실험을 수행할 때 심각한 문제에 직면했다.

이들은 공명 초음파를 1 켈빈(화씨 영하 457.87도)으로 냉각하기 위해 완전히 새로운 장치를 구축해야 했다. 새로운 설정을 통해 코넬 팀은 1.4 켈빈(화씨 영하 457도)에서 초전도 전이를 통해 재료가 냉각될 때 다양한 음파에 대한 크리스탈의 탄성 상수(본질적으로 재료의 음속)의 반응을 측정했다.

렘쇼는 “이것은 이러한 낮은 온도에서 지금까지 수집된 가장 높은 정밀도의 공진 초음파 분광학 데이터”라고 말했다. 데이터를 바탕으로 그들은 스트론튬 루테네이트가 2성분 초전도체라고 불리는 것으로 결정했다. 즉, 전자가 서로 결합하는 방식이 너무 복잡해서 단일 숫자로 설명할 수 없으며 방향도 필요했다.

이전 연구에서는 핵 자기 공명(NMR) 분광법을 사용하여 스트론튬 루테네이트가 어떤 종류의 파동 물질이 될 수 있는지에 대한 가능성을 좁히고 옵션에서 p 파를 효과적으로 제거했다. 재료가 2 성분임을 확인함으로써 연구팀은 이러한 발견을 확인했을 뿐만아니라 스트론튬 루테 네이트가 기존의 s파 또는 d파 초전도체가 아님을 보여주었다.

렘쇼는 “공명 초음파를 사용하면 실제로 모든 미세한 세부 사항을 식별할 수 없더라도 어떤 항목이 배제되었는지에 대한 광범위한 진술을 할 수 있다”라며 “그러므로 실험과 일치하는 유일한 것은 이전에 아무도 본 적 없는 매우 기이한 것이다. 그 중 하나는 각운동량 4를 의미하는 g-wave 초전도체다”라고 말했다.

이제 연구자들은 이 기술을 사용해 다른 물질이 잠재적 p- 파 후보인지 알아낼 수 있다.

논문“Thermodynamic evidence for a two-component superconducting order parameter in Sr2RuO4“은 네이처 피직스(Nature Physics)에 9월 21일(현지시각) 발표됐다.