KAIST 연구진, 고온 초전도체 개발 새단서 제시
국내 연구진이 카고메(Kagome) 금속에서 오랫동안 존재가 예측돼 왔던 특이 양자상태의 강력한 증거를 확보했다. 이번 연구는 초전도 현상이 발생하는 메커니즘을 이해하는 데 새로운 단서를 제공할 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST) 김영관 교수 연구팀은 카고메 금속에서 시간반전 대칭성(Time-Reversal Symmetry)이 깨지는 현상을 실험적으로 관측하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 Nature Physics에 게재됐다.
수십 년간 이어진 ‘숨겨진 양자상태’ 논쟁
카고메 금속은 일본 전통 바구니의 육각형 격자무늬를 닮은 원자 구조를 가진 물질로, 독특한 전자 특성 때문에 차세대 양자소재 후보로 주목받고 있다.
물리학자들은 오랫동안 이 물질 내부에 ‘자발적 대칭성 깨짐(Spontaneous Symmetry Breaking)’ 현상이 존재할 것으로 예상해 왔다. 이는 무질서한 상태의 시스템이 특정 조건에서 보다 질서정연한 상태로 전이하는 현상으로, 액체 상태의 물이 얼음 결정 구조를 형성하는 과정과 유사하다.
특히 연구자들의 관심을 끈 것은 시간반전 대칭성의 붕괴다. 시간반전 대칭성이란 시간을 거꾸로 흘려도 동일한 물리 법칙이 적용되는 성질을 의미한다. 그러나 이 대칭성이 깨지면 전자들이 일정한 방향성을 갖고 미세한 순환 전류를 형성하게 되는데, 이를 ‘루프 전류 질서(Loop-Current Order)’ 상태라고 부른다.
이론적으로는 오래전부터 예측됐지만, 실제 실험에서는 신호가 매우 미약해 다른 전자 질서 현상과 구분하기 어려웠기 때문에 직접적인 관측이 쉽지 않았다.
원형 편광으로 포착한 시간반전 대칭성 붕괴
연구팀은 실험 대상으로 카고메 금속의 대표 물질인 세슘 바나듐 안티모나이드(CsV₃Sb₅)를 선택했다. 이 물질은 온도가 낮아질수록 여러 전자 질서 상태를 거쳐 최종적으로 초전도 상태에 도달하는 것으로 알려져 있다.
연구진은 루프 전류 질서의 존재 여부를 확인하기 위해 원형 편광(Circularly Polarized Light)을 활용했다. 원형 편광은 전기장이 진행 방향을 따라 회전하며 이동하는 빛으로, 시간반전 대칭성이 깨진 물질과 상호작용할 경우 회전 방향에 따라 서로 다른 반응을 보인다.
연구팀은 시계 방향과 반시계 방향으로 회전하는 원형 편광을 각각 조사한 뒤 반응 차이를 정밀 측정했다. 그 결과, 기존 현상으로는 설명하기 어려운 명확한 비대칭 신호를 검출하는 데 성공했다.
초전도 이전에 나타나는 새로운 양자상태
특히 이번에 관측된 신호는 전하 밀도파(Charge Density Wave)와 같은 다른 전자 질서 상태가 형성되기 훨씬 높은 온도에서 먼저 나타났다.
이는 루프 전류 질서가 다른 전자 상태의 부산물이 아니라 독립적인 양자상태로 존재한다는 점을 시사한다. 연구진은 물질이 냉각되는 과정에서 먼저 시간반전 대칭성이 깨지고, 이후 전하 질서가 형성된 뒤 마지막 단계에서 초전도 상태가 나타난다고 설명했다.
이러한 결과는 카고메 금속 연구 분야에서 오랫동안 이어져 온 논쟁에 중요한 해답을 제시한다. 특히 시간반전 대칭성 붕괴가 단순한 부수 효과가 아니라 초전도 형성을 위한 전자 환경을 조성하는 핵심 역할을 수행할 가능성을 보여준다.
고온 초전도체 개발의 새로운 실마리
연구진은 이번 발견이 고온 초전도체 개발 연구에도 의미 있는 영향을 미칠 것으로 기대하고 있다.
현재 초전도체는 극저온 환경에서만 작동하는 경우가 많아 상용화에 한계가 있다. 만약 시간반전 대칭성 붕괴와 초전도 현상 사이의 연관성을 보다 명확히 규명할 수 있다면, 더 높은 온도에서 작동하는 차세대 초전도 소재 설계에 새로운 방향을 제시할 수 있다는 것이다.
연구팀은 “카고메 금속에서 발견된 루프 전류 질서가 초전도 현상의 기원과 어떤 관계를 갖는지 규명하는 것이 앞으로의 핵심 과제”라며 “이를 통해 실용적인 고온 초전도체 개발에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것”이라고 밝혔다.
