과학자들이 초전도 물질 외부 가장자리에서 초전도 전류(superconducting currents) 즉 에너지 낭비없는 전자 흐름을 감지했다.

프린스턴 물리학자들이 연구한 초 전도체는 또한 독특한 전자 특성을 가진 물질인 토폴로지(topological) 반-금속(semi-metal)이다. 이번 발견은 양자 컴퓨팅에 가치가 있는 새로운 “토폴로지 초전도(topological superconductivity)”시대의 가능성을 제시한다.

프린스턴대 유진 히긴스 물리학 교수이자 이 연구의 수석 저자 나이 푸앙 옹(Nai Phuan Ong)는 “우리가 아는 한 이것은 초전도체 에지 초 전류에 대한 첫 관측”이라며 “연구에 동기를 부여한 물음은 재료의 내부가 절연체가 아니라 초전도체 일 때 어떻게되는가. 토폴로지 재료에서 초전도성이 발생할 때 어떤 새로운 특징이 발생하는가였다”고 말했다.

연구 결과는 과학저널 사이언스(Science)에 5월 1일 발표됐다.

기존의 초전도체는 자기 공명 영상(MRI) 및 장거리 전송에서 널리 사용되지만 새로운 유형의 초전도는 우리가 익숙한 기술의 한계를 뛰어 넘는 능력을 발휘할 수 있다.

프린스턴 연구원들은 초전도성과 위상차 절연체 사이의 관계를 탐구해 왔으며, 비정형 전자 행동은 2016년 노벨 물리학상을 수상한 던컨 할덴(F. Duncan Haldane) 프린스턴대 물리학과 교수의 연구 대상이었다.

토폴로지 절연체는 주석 호일로 싸인 브라우니와 같이 절연 내부와 전도성 표면을 가진 결정이다. 전도성 물질에서 전자는 원자에서 원자로 호핑해 전류가 흐를 수 있다. 절연체는 전자가 붙어서 움직일 수 없는 물질이다. 그러나 흥미롭게도, 위상 절연체는 전자가 표면에서는 움직일 수 있지만 내부에서는 움직일 수 없다.

토폴로지 물질에서 초전도성을 연구하기 위해 연구진은 몰리브덴 디텔루라이드(molybdenum ditelluride)라고 불리는 결정 물질에 주목했다.이 물질은 위상 특성을 가지며 온도가 100밀리켈빈(화씨 -459도) 아래로 떨어지면 초전도체가 된다.

전기공학 대학원생 인 스테판 김(Stephan Kim)은“지금까지 수행 된 대부분의 실험은 하나의 재료를 다른 재료에 근접해 배치함으로써 초전도성을 위상 재료에 ‘주입’하는 것과 관련이 있었다. 측정과 다른 점은 초전도를 주입하지 않았지만 에지 상태의 시그니처를 표시 할 수 있다는 점”이라고 말했다.

연구팀은 먼저 실험실에서 결정을 성장시킨 다음 초전도성이 발생하는 온도로 냉각시켰다. 그런 다음 결정을 통한 전류 흐름을 측정하면서 약한 자기장을 적용했다. 그들은 자기장이 증가함에 따라 임계 전류(critical current) 수치가 진동하는 것을 보았다. 진동의 높이와 진동의 주파수는 물질의 엣지에 국한된 전자의 양자 거동에서 이러한 변동이 어떻게 발생하는지에 대한 예측에 부합했다.

연구자들은 일반적으로 무작위로 움직이는 전자가 둘로 결합해 쿠퍼(Cooper pairs)을 형성 할 때 초전도성이 발생한다는 것을 오랫동안 알고 있었다.

옹은 이를 “거의 비유는 십억 명의 커플이 똑같은 대본 댄스 안무를 실행하는 것”에 비유했다. 전자가 초전도체 파동 함수 영향으로, 초전도 선의 길이를 따라 늘어난 리본으로 간주 될 수 있다.

파동 함수의 약간의 뒤틀림은 긴 와이어의 모든 쿠퍼 쌍을 열 발생 없이 “초유체(superfluid)”와 같은 속도로, 즉 개별 입자가 아닌 단일 파동처럼 작동하도록 한다. 트위스트(twists)가 없다면 모든 쿠퍼 쌍은 고정돼 전류가 흐르지 않는다는 설명이다.

연구자들이 초전도체를 약한 자기장에 노출하면, 이들이 전자와 같은 매우 작은 입자에 대해 양자 역학의 규칙을 따르는 마그네틱 플럭스(magnetic flux)라는 트위스트에 추가적인 기여를 한다.

연구자들은 이 두 트위스트 수, 초유속 속도(superfluid velocity) 및 마그네틱 플럭스에 기여하는 트위스트 수를 3.2 또는 3.7이 아닌 2, 3 또는 4와 같은 정수로 유지할 것으로 예상했다.

그들은 자속이 매끄럽게 증가함에 따라 초전류가 여분의 0.2를 취소하거나 0.3을 더해 정수를 얻도록 조정, 톱니 패턴으로 초유체 속도가 증가 할 것이라고 예측했다. 연구팀은 자속을 변화시키면서 초유체 전류를 측정했으며 실제로 톱니 패턴을 발견했다.

연구원들은 에지 초전류(supercurrent)가 벌크 초전류와 독립적인 이유는 현재 잘 알려져 있지 않다고 지적했다.

*”Evidence for an edge supercurrent in the Weyl superconductor MoTe2″ Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aaw9270