'물질의 새로운 상태' 초고체, 상온에서 첫 구현

초고체의 개념도. 고체처럼 규칙적으로 배열된 입자들이 동시에 마찰 없이 흘러다니는 상태를 나타낸다. Ludwig Mathey, NIST, JQI 제공

과학자들이 고체의 결정 구조와 마찰 없이 흐르는 초유체의 성질을 동시에 갖는 물질의 새로운 상태인 '초고체'를 상온에서 구현하는 데 성공했다. 

웨이 바오 미국 렌셀러폴리테크닉대 교수 연구팀은 할라이드 페로브스카이트 단결정과 나노격자 구조를 결합해 상온 초고체를 실현하고 연구결과를 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 16일(현지시간) 발표했다.

초고체는 물질이 규칙적인 결정 구조를 유지하면서 동시에 에너지 손실 없이 흘러다니는 극히 이례적인 양자 상태다. 고체와 초유체라는 서로 상반된 특성이 하나의 물질 안에 공존하려면 물질이 공간적으로 규칙적인 구조를 스스로 만들어내는 동시에 입자들이 하나의 양자 상태로 뭉쳐야 한다. 실험으로 구현하기 어려워 지금까지는 절대영도(-273.15°C)에 가까운 극저온에서만 관찰됐다.

연구팀은 빛과 물질이 강하게 결합해 만들어지는 입자인 '폴라리톤'을 활용했다. 폴라리톤은 빛 입자인 광자와 반도체 안에서 에너지를 받아 활성화된 전자가 강하게 결합해 만들어지는 새로운 종류의 입자다. 빛처럼 빠르게 움직이면서도 입자 간 상호작용이 강해 같은 종류의 입자들이 훨씬 높은 온도에서도 하나의 양자 상태로 뭉치게 할 수 있다. 

연구팀은 태양전지·디스플레이 소재로 주목받는 페로브스카이트 단결정을 얇은 막 형태로 만들어 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 격자 구조물 위에 올렸다. 격자 표면에는 굴절률이 높은 이산화타이타늄을 얇게 코팅해 빛이 특정 영역에 강하게 가두어지도록 했다. 덕분에 폴라리톤이 상온에서도 흩어지지 않고 안정적으로 특정 상태에 머물렀다. 

레이저로 에너지를 가하면 폴라리톤들이 하나의 양자 상태로 모여든다. 에너지를 더 높이면 줄무늬 형태의 격자 구조가 저절로 나타난다. 레이저 펄스를 한 차례씩 쐈을 때 찍은 실시간 이미지에서 줄무늬의 위치가 매번 다르게 나타났다. 물리 법칙의 대칭성이 자발적으로 깨지면서 격자가 스스로 생겨난다는 초고체의 조건을 충족했다는 뜻이다.

연구팀은 에너지를 높일수록 줄무늬 격자의 간격이 조금씩 달라지는 현상도 관측됐다. 외부에서 억지로 조절한 것이 아니라 입자 간 상호작용에 의해 자연스럽게 변하는 것으로 초고체가 본질적으로 유연하고 압축 가능한 구조임을 보여주는 증거다.

연구팀은 "이번 구조를 다양한 형태로 확장하면 초고체 안에서 소용돌이치는 양자 현상을 실시간으로 들여다볼 수 있을 것"이라며 "상온에서 양자 물질의 특이한 성질을 자유롭게 탐색할 수 있는 새로운 실험 무대가 열렸다"고 밝혔다.

<참고> 
doi.org/10.1038/s41565-026-02141-0

[임정우 기자 jjwl@donga.com]