김종환 교수를 비롯한 국내 공동 연구진이 선형의 전자정렬 상태를 가지고 있는 이리듐-다이텔루라이드(IrTe2)를 수십 나노미터(㎚)의 두께로 벗겨내 전자정렬 상태와 2차원 초전도성이 공존한다는 것을 확인했다고 27일 밝혔다. 이번 발견을 통해 전자정렬 상태의 소멸 혹은 그로 인한 양자요동2)이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 것이 확인됐다.

극저온에서 전자의 농도나 외부 압력이 바뀌면서, 원래 나타나던 전자의 정렬 상태가 사라지거나 다른 상태로 변하는 현상이 일어나는데 이를 양자 상전이 현상이라고 한다. 지금까지는 양자 상전이 현상이 일어날 때 보통의 초전도체와 다른, 비고전적인 초전도 현상이 자주 발견됐다. 이때 비고전적인 초전도 현상을 유도하는 중요한 요인 중 하나는 전자정렬 상태가 사라지면서 나타나는 양자요동이라고 여겨졌다. 하지만 아직도 전자정렬 상태와 초전도 상태가 어떤 관계인 지 명확히 밝혀지지 않았다.
<연구진은 전자정렬 상태를 가진 이리듐-다이텔루라이드의 두께를 조절해 전자정렬 상태와 초전도성이 공존하는 것을 발견했다. 왼쪽 그림은 반데르발스 결합으로 이뤄진 이리듐-다이텔루라이드의 층상구조. 오른쪽 그림은 두께에 따른 상전이 온도 그림, 수십 나노미터 수준의 두께 영역에서 초전도성(노란색)과 전자정렬 상태(빨간색)가 공존해 나타난다.>
연구진은 전자의 정렬상태와 초전도 상태 간의 관계를 연구하기 위해 전자 정렬상태를 가지고 있는 물질 중에서도 약한 반데르발스 결합으로 이루어진 층상구조 물질에 주목해왔다. 이러한 물질에서는 두께를 얇게 함으로써 전자정렬상태를 조절할 수 있는데, 이 경우 구조나 정렬의 결함을 일으키지 않고 물질의 고유상태를 유지하며 전자 간의 상호작용만 조절할 수 있다는 장점이 있다.

이리듐-다이텔루라이드는 층과 층 사이가 반데르발스 결합으로 연결된 반데르발스 물질로, 저온에서 전자 정렬 상태가 나타나는 것으로 알려져 있다. 연구진은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이뤄진 점을 이용하여 수십 나노미터 두께 얇은 박막으로 만들면서 전자정렬 상태와 초전도 현상을 연구했다. 이를 통해 연구진은 이리듐-다이텔루라이드 박막에서는 전자정렬 상태가 여전히 유지되면서 동시에 초전도 현상이 나타난다는 점이 확인했다.

이러한 결과는 전자정렬이 약할 때 나타나는 양자요동으로 초전도 상태가 유도된다는 기존의 보고와는 상반되는 결과다. 특히 두께를 조절함으로써 전자정렬의 소멸과 그로 인한 양자요동이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 점을 확인한 첫 사례이다.

기초과학연구원과 한국연구재단 선도연구센터 사업 지원으로 수행된 이번 연구결과는 최근 세계적인 권위지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 소개됐다.