응용물리학과 이종수 교수 연구팀, 자기 에너지 증폭하는 거대 음의 스핀분극 초전도 발견
양자컴퓨터의 새로운 응용 가능성 제시

응용물리학과 이종수 교수 연구팀(주저자 라마툴 히다야티 박사, 김진희 연구교수)이 자기에너지를 증폭시키는 거대 음의 스핀분극 초전도 현상을 세계 최초로 발견했다. 이번 발견은 음의 스핀 트리플렛 초전도 현상을 의미하는 것으로, 양자컴퓨터의 새로운 응용 가능성을 포착했다. 연구 결과는 고체물리학 교과서를 다시 써야 하는 새로운 현상으로 평가 받으며 소재 분야 국제 학술지『Advanced Functional Materials(IF=19)』에 내부 표지논문으로 게재됐다.

기존 고체물리학 교과서로는 설명할 수 없는 현상 발견

초전도체는 전기 저항이 ‘0’이 되는 물질로, 한 번 흐른 전류가 손실 없이 유지되고, 외부에서 가해준 자기장을 모조리 바깥으로 밀어내는 마이스너(Meissner) 효과를 갖는다. 이 때문에 초전도는 자석 위에서 공중 부양을 하게 된다.

자석 위에서 일어나는 공중 부양은 초전도의 100% 음의 자화라는 특성 때문에 발생하는데 이종수 교수 연구팀은 초전도의 음의 자화가 120% 이상 될 수 있음을 발견했다. 기존 고체물리학 교과서에 따르면 외부 자기장의 에너지보다 더 큰 에너지로 자기에너지를 축적할 수 없다. 이에 대해 이종수 교수는 “특정한 원리에서는 기존 교과서의 한계를 넘어설 수 있음을 보였다”고 설명했다.

이종수 교수 연구팀은 철계 고엔트로피 합금 초전도에서 초거대 음의 자화 현상을 발견하고, 원인을 파악하기 위해 포항공대 심지훈, 김지훈 교수와 공동연구를 진행했다. 다양한 실험·이론적 방법으로 초전도 내부의 스핀들이 외부에서 가해준 자기장의 방향과 반대 방향으로 정렬하는 특이한 현상 때문임을 규명했다. 이러한 특성으로 초전도성이 외부 자기장을 100% 밀어냄과 동시에 자기장과 반대 방향으로 정렬하는 스핀의 자기화 성질이 더해져 120% 이상의 자기에너지가 축적된다는 사실을 확인했다.

자기 에너지가 증폭된 초전도의 개념도. 외부에서 가해준 자기장 B는 초전도에 의해 100 % 외부로 방출되고, 내부에서 형성된 음의 스핀분극이 더해져서 120 % 이상의 초전도 자기 에너지가 초전도체 주변에서 축적된다.

초전도는 거시 세계에서 나타나는 양자 현상으로 초전도의 거시 양자 상태를 이용해 양자컴퓨터 개발에 응용되고 있다. 초전도에서 일어나는 스핀분극 현상을 물리학에서 스핀 트리플렛 상태라고 말하는데 이 상태에서는 물리학의 꿈이라 불리는 마요라나 페르미온이라는 매우 특별한 입자가 생성된다. 음의 값을 갖는 스핀 트리플렛 상태는 이번에 처음 발견됐다.

이종수 교수는 “초전도 현상의 새롭고 놀라운 발견”이라고 강조하며 “향후 양자컴퓨터의 응용에도 연결될 것”이라고 말했다. 이번 연구는 산업통상자원부 알키미스트 과제의 지원을 받아 수행됐다.