지난 12일 기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 김성웅 연구위원과 송준성 박사후연구원 연구팀이 상압에서 초전도 현상을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속 '포타슘징크비스무트'(KZnBi)를 발굴했다고 밝혔다.
초전도 특성은 양자컴퓨터 기술을 구현하는 데 쓰인다.
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 1 또는 0의 값을 갖는 비트 단위가 아닌 0과 1의 값을 동시에 갖는 큐비트 단위로 정보를 읽는다.
양자컴퓨터에서 큐비트를 만들기 위해서는 전기저항이 0이 되는 초전도 상태를 구현해야 하는데, 극저온 등 까다로운 제작 조건이 필요하다.
'삼차원 위상 디락 반금속'(Three dimensional topological Dirac semimetal)은 질량이 거의 없는 디락 입자가 삼차원 운동량 공간에 존재해 초전도 특성을 갖는 소재로 주목받고 있다.
연구팀은 디락 입자(빛의 속도에 가깝게 움직이는 질량이 거의 없는 입자)가 존재하는 그래핀을 쌓아 올려 3차원 벌집 구조의 칼륨과 아연, 창연으로 구성된 화합물 KZnBi을 합성하는 데 성공했다.
분광 실험과 이론 계산을 통해 삼차원 공간 상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재함을 밝혔고, 임계 자기장 측정을 통해 KZnBi 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남을 확인했다.
지금까지 발견된 삼차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다. 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 '0'이 되는 삼차원 위상 디락 반금속을 찾아낸 것은 이번이 처음이다.
양자컴퓨터 연구에 필수적인 새로운 위상 물질 개발에 기여할 것으로 기대된다.
김성웅 연구위원은 "디락 물질로 대표되는 2차원 그래핀 소재 형성 원리를 응용하여 기존에 전혀 예측하지 못했던 물질을 발견했다"며 "기존 연구의 한계를 뛰어넘은 새로운 양자 물질 발견으로, 앞으로 위상 초전도체와 양자컴퓨터 연구에 새로운 방향성을 제시할 것이다"고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 엑스'(Physical Review X) 6월 28일 자에 실렸다.