양자컴퓨터¹⁾의 큐비트²⁾를 만드는 것은 매우 어렵다. 극저온에서 전기저항이 0이 되는 초전도상태 또는 진공상태 등 까다로운 제작조건이 필요하기 때문이다. 위상물리에서 발현되는 초전도 특성은 양자컴퓨터 큐비트를 구현할 수 있으나, 이러한 특성을 보이는 물질은 극소수이다. 그중 삼차원 위상 디락 반금속은 물질의 대칭 붕괴를 통해 초전도 등 다양한 물리현상을 보일 것으로 기대되나, 상압에서 나타나는 초전도 특성이 관측된 적은 없다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 김성웅 연구위원(성균관대 교수)과 송준성 박사후연구원은 한국과학기술원, 와이즈만연구소 등 국제공동연구진과 함께 상압에서 표면 초전도 현상 초전도 현상³⁾을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속⁴⁾소재(KZnBi)를 발견했다. 연구진이 발견한 KZnBi는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다.

연구진은 디락 입자⁵⁾가 존재하는 2차원 물질인 그래핀의 평면 벌집 구조에 착안했다. 이를 통해 층상으로 쌓아올린 3차원 평면 벌집 구조 물질 KZnBi 합성에 성공했다. 각분해 광전자 분광 실험 및 이론 계산을 통해 삼차원 공간상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재하는 것을 밝힌 것이다.

나아가 삼차원 위상 디락 반금속 KZnBi 물질의 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남도 확인했다. 임계 자기장⁶⁾측정을 통해 KZnBi 표면에 기존의 초전도체와는 다른 초전도 특성을 보이는 것을 발견했다. 지금까지 발견된 삼차원 위상 디락 반금속 물질에서는 초전도 현상이 없거나 매우 높은 압력에서만 나타났었다. 그러나 이번 연구로 보통 대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 0(영)이 되는 물질인 KZnBi를 발견한 것이다. 해당 소재는 새로운 위상물질 탐색은 물론, 양자컴퓨터 연구에 필수적인 위상물질 기반 기술 개발에 응용될 것으로 기대된다.

교신저자인 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.

이번 연구는 물리 분야 권위지인 피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X, IF=12.577) 誌에 6월 28일자로 게재되었다.

[그림1] 신규 삼차원 위상 디락 반금속 물질인 KZnBi의 결정구조 모식도 (아래)와 디락 입자 특성을 보이는 전자구조 (위)

[그림2] 새롭게 합성한 KZnBi 단결정

[그림3] KZnBi의 초전도 현상 (좌) 과 임계 자기장 측정을 통해 일반적인 초전도체 (s-wave)와는 다른 특이한 초전도 현상 확인(우)

1) 양자컴퓨터:양자 얽힘을 이용하여 자료의 병렬 처리가 가능한 컴퓨터로, 기존의 방식으로 해결 할 수 없는 연산들을 매우 빠르게 할 수 있을 것으로 기대 받고 있는 컴퓨터.

2) 큐비트: 기존 컴퓨터의 비트(0또는 1의 값을 가짐)와는 달리 0 또는 1의 두가지 값을 가질 수 있을 뿐 아니라 0과 1이 동시에 존재하는 중첩된 상태로 표현 될 수 있는 비트.

3) 초전도 현상: 온도가 임계온도 이하에 도달하면 물질의 전기 저항이 0 이 되는 현상.

4) 삼차원 위상 디락 반금속: 디락 입자가 삼차원 운동량 공간에 존재하여 그래핀의 삼차원 유사체로 알려진 물질로 질량이 거의 없는 입자를 가지고 있어 매우 빠른 전하 이동도와 독특한 위상학적 특성을 보임.

5) 디락 입자: 질량이 거의 없는 입자로 빛의 속도에 가까운 속도로 움직이는 입자.

6) 임계 자기장: 자기장이 충분히 강해져 물질의 초전도성이 깨지는 한계 자기장.