전류가 손실 없이 흐르는 초전도 현상을 비롯한 물질 내부 양자현상의 핵심은 전자들이 언제 함께 움직이고, 언제 흩어지는지에 있다. KAIST 연구진이 전자들이 질서를 만들고 깨뜨리는 순간을 직접 ‘눈으로’ 확인하는 데 성공했다.

 

KAIST는 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수팀이 스탠퍼드대학교와 국제 공동연구를 통해, 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)가 형성되고 사라지는 과정을 공간적으로 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다고 20일 밝혔다.

 

초전도 상태는 에너지 손실 없이 전류가 100% 흐르는 상태로, 아주 낮은 온도에서 특정 물질에서만 나타난다. 음전하를 띠는 전자들은 일반적인 환경에서는 서로 밀어내지만, 초전도 상태에서는 둘씩 짝을 이뤄 움직이는 것으로 알려져 있다. 이러한 특성은 MRI 검사 장비와 자기부상열차 등에 이미 활용되고 있다. 이처럼 전하들이 강하게 얽혀 만들어내는 특별한 양자상태는 양자컴퓨터와 같은 차세대 양자기술의 기반이 된다.

 

 

초전도 현상을 비롯한 극저온 양자현상을 양자기술에 활용하기 위해서는 물질 속 전자들을 원하는 대로 정밀하게 제어하는 기술이 필수적이다. 그러나 극저온 환경에서 전자들이 만들어내는 전하밀도파의 무늬가 어떻게 생성되고 사라지는지 직접 관측하기 어려워, 그동안 많은 부분이 베일에 가려져 있었다.

 

연구진은 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)을 활용해 전자 무늬의 변화를 실시간으로 관찰했다. 이는 물이 얼면서 얼음 결정이 자라는 모습을 초고배율 카메라로 촬영하는 것과 유사하지만, 약 영하 253℃의 극저온에서 머리카락 굵기의 10만 분의 1까지 관찰할 수 있는 전자현미경을 사용했다는 점에서 차이가 있다.

 

관측 결과, 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 나타나지 않았다. 어떤 영역에서는 선명한 무늬가 관찰됐지만, 바로 인접한 영역에서는 전혀 나타나지 않았다. 이는 호수가 한 번에 얼지 않고 얼음과 물이 섞여 있는 모습과 유사한 현상으로 해석됐다.

 

연구팀은 이러한 현상이 물질 내부의 매우 미세한 변형, 즉 스트레인과 깊은 관련이 있다는 사실도 밝혀냈다. 눈으로는 거의 느낄 수 없는 작은 압력이나 뒤틀림이 전자 무늬의 형성을 방해하는 요인으로 작용한다는 것이다.

 

반대로 일부 영역에서는 온도가 상승해도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않고 유지되는 현상도 관찰됐다. 이는 작은 섬처럼 고립된 ‘양자 질서’가 비교적 높은 온도에서도 지속되는 모습으로, 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 결과로 평가된다.

 

연구팀은 전하밀도파 전자 무늬를 이루는 전자들이 서로 얼마나 먼 거리까지 영향을 주는지를 세계 최초로 정량적으로 규명했다. 이는 단순히 무늬의 존재 여부를 넘어, 전자 질서가 어떻게 연결되고 유지되는지를 이해할 수 있는 새로운 분석 틀을 제시한 성과로 평가된다.

 

전하밀도파와 초전도 상태는 때로는 경쟁하고 때로는 서로를 보완하는 관계로 알려져 있다. 이번 연구는 고온 초전도체 연구와도 자연스럽게 연결되며, 전자 무늬가 안정적으로 유지되는 조건을 이해할 경우 초전도 전류가 더 잘 흐르는 재료 설계로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구를 주도한 양용수 교수는 “그동안 이론이나 간접 측정에 의존할 수밖에 없었던 극저온 전자 질서와 양자상태의 미세한 변화를 이제는 직접 눈으로 확인할 수 있게 됐다”며 “양자물질의 숨겨진 질서를 규명함으로써 미래 양자기술 재료 개발을 가속할 중요한 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

 

이번 연구 성과는 물리학 분야 국제 학술지 Physical Review Letters 2026년 1월 6일 자에 게재됐다. 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업, 기초연구실, 나노소재기술개발사업, KAIST 특이점교수사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |