연필심 속 흑연에서 새로운 초전도 현상 발견

평범한 연필심의 주성분인 흑연(graphite)이 미시 세계에서는 예상 밖의 복잡한 특성을 지닌 물질이라는 사실이 밝혀졌다. 미국 MIT 연구진은 흑연의 특정 미세 구조에서 여러 종류의 초전도 상태가 동시에 나타난다는 사실을 발견했으며, 연구 결과는 국제학술지 Nature에 게재됐다.

초전도는 전자들이 ‘쿠퍼쌍(Cooper pair)’을 형성해 전기 저항 없이 흐르는 현상이다. 현재까지 수천 종의 초전도 물질이 알려져 있지만, 하나의 물질에서 여러 형태의 초전도 상태가 공존하는 사례는 매우 드물다.

연구진은 흑연을 원자 한 층 두께로 분리한 그래핀(graphene) 가운데, 네 겹 또는 다섯 겹의 그래핀이 계단처럼 쌓인 ‘능면체 그래핀(rhombohedral graphene)’에서 이러한 현상을 확인했다. 이 구조는 일반적인 흑연 내부에 자연적으로 존재하지만, 실험을 위해서는 흑연을 얇게 벗겨낸 뒤 계단 모양의 미세 구조를 찾아내야 한다.

가장 주목할 만한 발견은 일부 초전도 상태가 강한 자기장에서도 사라지지 않았다는 점이다. 일반적으로 자기장은 전자쌍의 결합을 깨뜨려 초전도성을 없애지만, 연구진이 발견한 세 가지 초전도 상태는 최대 약 9테슬라(T)의 자기장에서도 유지됐다. 이는 지구 자기장의 약 18만 배에 해당하는 세기다.

더욱 놀라운 결과도 확인됐다. 자기장을 그래핀 평면과 수직 방향으로 가했을 때 특정 전자 밀도에서는 초전도성이 오히려 강화된 것이다. 초전도 전이 온도는 약 55밀리켈빈(mK)에서 최대 90밀리켈빈까지 상승했으며, 초전도성이 유지되는 동안 더 큰 전류를 견딜 수 있는 것으로 나타났다.

MIT 물리학과의 롱 주(Long Ju) 교수는 “자기장이 초전도성을 약화시키기는커녕 오히려 강화한다는 것은 기초 물리학 관점에서도 매우 이례적인 현상”이라며 “이번 연구는 이러한 현상을 설명할 수 있는 다양한 실험적 단서를 제공했다”고 설명했다.

연구진은 이번 연구에서 기존과는 다른 접근법을 사용했다. 이전에는 그래핀에 전자를 추가해 초전도성을 관찰했다면, 이번에는 반대로 전자를 제거하면서 전기 저항 변화를 측정했다. 또한 그래핀 평면과 평행하거나 수직인 방향으로 각각 자기장을 가해 초전도 특성의 변화를 분석했다.

실험 결과 특정 전자 밀도에서 서로 다른 네 종류의 초전도 상태가 새롭게 발견됐으며, 이 가운데 세 가지는 강한 자기장에서도 안정적으로 유지됐다. 이는 능면체 그래핀이 기존 초전도체와는 다른 새로운 유형의 초전도 메커니즘을 가질 가능성을 시사한다.

연구진은 전자들이 일반적인 반대 방향의 스핀 대신 같은 방향의 스핀을 유지한 채 쌍을 이루는 새로운 형태의 결합이 나타날 가능성을 제시했다. 이러한 구조라면 자기장이 가해져도 전자쌍이 쉽게 깨지지 않아 초전도성이 유지될 수 있다는 설명이다. 다만 이 가설을 입증하기 위해서는 추가적인 실험과 이론 연구가 필요하다고 연구진은 밝혔다.

이번 연구는 가장 단순한 원소 중 하나인 탄소가 구조와 전자 밀도를 정밀하게 제어할 경우 예상하지 못했던 다양한 양자 현상을 구현할 수 있음을 보여준다. 연구를 주도한 MIT 대학원생 준석 서(Junseok Seo)는 “우리는 자연이 제공하는 물질을 그대로 연구하는 데 그치지 않고, 외부 제어를 통해 동일한 물질 안에서 새로운 물성을 만들어낼 수 있다는 점이 매우 흥미롭다”고 말했다.

연구진은 이번 성과가 차세대 초전도체 개발은 물론 양자컴퓨팅과 저전력 전자소자 등 미래 양자기술 연구에도 새로운 방향을 제시할 것으로 기대하고 있다.