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 현상을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속소재(KZnBi)를 발견했다.

연구진이 발견한 KZnBi는 평상시 대기압(상압) 상태에서 전력을 소비하지 않고도 전류를 흐르게(초전도성) 할 수 있다.

연구진은 디락 입자가 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 자기장측정을 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.

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 것”이라고 말했다.

이번 연구는 물리 분야 권위지인 피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X) 지에 6월 28일자로 게재됐다.