[한 토막 과학상식] 초전도 현상 보이는 강상관계 물질 '훈트 금속'이란

심지훈 포스텍 화학과 교수와 장보규 박사, 김창영 IBS 강상관계물질연구단 교수와 한가람 박사(왼쪽부터) 연구팀은 훈트 금속의 양자결맞음 과정을 직접 관찰하는 데 성공했다. 포스텍 제공

강상관계 물질은 전자 사이 강한 상호작용으로 일반적인 도체나 부도체에서 보이지 않는 특이한 현상을 나타내는 물질이다. 강상관계 물질은 전기가 통하지 않는 물체를 전기가 통하게 하는 ‘금속-부도체 전이 현상’이나 높은 온도에서 저항이 0이 되는 고온초전도 현상 등을 일으킨다.

강상관계 물질의 대표적 예는 훈트 금속이다. 훈트 금속은 전자들의 스핀을 서로 같은 방향으로 정렬시키는 물리작용인 ‘훈트 상호작용’이 전자 사이 상호작용에서 역할을 하는 물질이다. 훈트금속은 전기저항 없이 전류가 흐르는 초전도 현상을 보이거나 외부 조건의 미세한 변화에도 물성이 크게 바뀌는 특성을 보인다.

심지훈 포스텍 화학과 교수 연구팀과 김창영 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 교수 연구팀은 훈트금속이 훈트 상호작용을 일으키는 과정에서 생기는 '양자결맞음'을 일으키는 과정을 직접 관찰하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 양자결맞음은 양자들이 같은 성질을 보이는 특수한 상태로 강상관계 물질에서 일어나는 다양한 현상과 연관돼 있다.

에너지띠는 전자가 가질 수 있는 에너지 정도를 보여주는 값이다. 대부분 물질은 여러 개의 에너지띠를 가진다. 하지만 강상관계 물질에서 일어나는 특이한 현상은 하나의 에너지띠에서 일어나는 전자의 상호작용만으로 설명돼 왔다. 반면 훈트 상호작용은 여러 에너지띠 사이 일어나는 현상을 다룬다. 때문에 강상관계 물질에서 훈트 상호효과를 고려하기 어려웠다.

연구팀은 훈트금속인 ‘NiS2-xSex’ 물질에서 셀레늄 도핑을 조절해 전자 사이 상호작용의 세기를 조절했다. 물질의 에너지띠를 확인하는 각분해 광전자분광법을 사용해 분석한 결과 낮은 온도에서 전자 띠구조가 뒤틀리는 현상이 나타났다. 양자역학을 이용해 물질의 성질을 계산하는 제일원리계산을 이용해 분석한 결과 뒤틀림이 훈트 상호작용의 영향인 것으로 나타났다. 양자결맞음 조건도 셀레늄 도핑에 따라 바뀌는 것으로 확인됐다.

연구팀은 “하나의 에너지띠만을 가정한 기존의 연구가 훈트 상호작용이 중요한 역할을 하는 다 에너지띠 시스템에서는 수정돼야 한다는 점을 제시했다”며 “동시에 물질 고유의 양자결맞음 에너지 스케일을 낮은 온도에서 전자구조를 통해 직접 관찰한 연구”라고 밝혔다.

연구결과는 지난달 23일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에 발표됐다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]