[김준성, 김태환 교수 연구실] 전하정렬 상태와 공존하는 2차원 초전도 상태 발견

 Caption: 전하정렬 상태를 가진 이리듐-다이텔루라이드의 두께를 조절하여 전하정렬 상태와 초전도성이 공존하는 것을 발견했다. (왼쪽) IrTe2의 층상구조 (오른쪽) 두께에 따른 상전이 온도 그림, 수십 나노미터 수준의 두께 영역에서 초전도성(SC)과 전하정렬 상태가 공존해 나타난다.  

 [김준성, 김태환 교수 연구실] 전하정렬 상태와 공존하는 2차원 초전도 상태 발견

극저온에서 전자의 농도나 외부 압력이 바뀌면서, 원래 나타나던 전자의 정렬 상태가 사라지거나 다른 상태로 변하는 현상이 나타나는데 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 전하정렬 상태가 사라지면서 나타나는 양자요동이라고 여겨졌다. 하지만 아직도 전하정렬 상태와 초전도 상태가 어떤 관계를 가지는지 명확히 밝혀지지 않았다.

물리학과 김준성 교수, 김태환 교수 연구팀, 신소재공학과 김종환 교수 연구팀을 비롯한 국내외 공동 연구진은 전하의 공간적인 분포가 선형적인 패턴으로 정렬된 상태를 가지고 있는 이리듐-다이텔루라이드(이하 IrTe2)의 두께를 수십 나노미터 수준으로 박리하여, 2차원 초전도성을 유도할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 연구팀은 전하의 정렬 상태와 초전도 상태 간의 관계를 연구하기 위해 전하정렬 상태를 가지고 있는 물질 중에서도 약한 반데르발스 결합으로 이루어진 층상구조 물질에 주목해왔다. 연구진은 층 사이가 약한 반데르발스 결합으로 이뤄진 점을 이용하여 물질의 두께를 얇게 함으로써 전하정렬 상태를 조절하였다. 이 경우 구조나 정렬의 결함을 야기하지 않고 물질의 고유 상태를 유지하며 전자 간의 상호작용만 조절할 수 있다는 장점이 있다. 연구진은 저온에서 전하정렬 상태가 나타나는 대표적인 반데르발스 물질인 IrTe2의 두께를 다양하게 조절하면서 전하정렬 상태와 초전도 현상을 체계적으로 조사했다. 이를 통해 연구진은 수십 나노미터 두께의 IrTe2 박막에서 전하정렬 상태가 여전히 유지되면서 동시에 초전도 현상이 나타난다는 점을 확인했다.

이런 결과는 전하정렬이 약화될 때 나타나는 양자요동으로 초전도 상태가 유도되는 기존의 보고와는 상반되는 결과이다. 특히 이번 연구는 물질의 두께를 조절함으로써 전하정렬의 소멸과 그로 인한 양자요동이 없어도 초전도 현상을 유도할 수 있다는 점을 확인한 첫 사례이다. 향후 두께 조절을 통해 양자 상전이, 그리고 전하정렬 상태와 초전도 상태의 관계를 밝히는 데 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.