바르샤바대·IBM, 액정 미세공동서 상온 엑시톤-폴라리톤 초고체 첫 관측

초고체란 무엇인가

초고체(supersolid)는 저항 없이 흐르는 초유체의 특성과 결정처럼 주기적으로 배열된 밀도 구조가 동시에 공존하는 물질 상태다. 이론적 예측은 1960년대로 거슬러 올라가지만, 실험적 증거는 2017년 절대영도에 가까운 극저온 원자 BEC에서야 처음 나왔다. 그 이후로도 초고체 연구는 값비싼 극저온 장비를 전제로 했다.

엑시톤-폴라리톤과 액정 미세공동

이번 연구팀은 원자 대신 엑시톤-폴라리톤을 택했다. 이 준입자는 광학 미세공동 내부에서 빛과 물질이 강하게 결합할 때 형성되며, 존재 시간이 수 피코초에 불과하지만 그 안에 BEC를 형성하고 초유체처럼 거동할 수 있다.

연구팀은 특수 설계된 액정을 채운 미세공동 표면에 유기 반도체 MeLPPP(메틸 치환 사다리형 폴리파라페닐렌)를 코팅했다. 군사기술대학교가 개발한 이 액정 구조는 60°C에 가까운 온도에서도 빛-물질 강결합을 유지한다. IBM 리서치 취리히는 MeLPPP 박막 증착을 맡았으며, 해당 소재에서 BEC 현상을 관측한 선행 경험을 보유하고 있었다. 액정 미세공동과의 결합은 이번이 처음이었다.

두 가지 질서의 동시 발현

초고체 상태로의 전이는 샘플 방출광에 등간격 줄무늬가 나타나는 것으로 확인됐다. 이 줄무늬는 응집체가 자발적으로 주기적 밀도 변조를 형성했다는 증거다.

더 주목할 점은 레이저 펄스를 가할 때마다 줄무늬 위치가 바뀐다는 사실이었다. 양자계가 등가의 여러 배열 가운데 하나를 그때마다 독립적으로 선택하는 것으로, 자발적 대칭 깨짐의 전형적 사례에 해당한다. 이와 동시에 방출광의 편광이 주기적으로 변하는 스핀 헬릭스도 관측됐다. 밀도 질서와 편광 질서, 두 종류의 질서가 한 시스템에서 공존한 셈이다.

단 몇 시간, 샘플과의 경쟁

실험 과정에서 최대 난제는 소자 안정성이었다. 유기 반도체가 액정과 반응해 열화되기 때문에 샘플 조립 후 수 시간 안에 모든 측정을 마쳐야 했다. 측정 순서 전체를 사전에 계획하고, 재측정이 필요하면 샘플을 처음부터 새로 제작해야 했다. 주요 실험은 군사기술대학교에서 제작한 광자 구조체 위에 IBM 리서치 취리히가 박막을 증착한 소자를 사용해 수행됐다.

상온 양자 광자 기술로 가는 길

이번 성과의 핵심은 극저온 없이도 이국적 양자 상태를 탐구할 수 있는 플랫폼이 열렸다는 점이다. 특히 액정 미세공동은 외부 전압으로 광학 특성을 동적으로 제어할 수 있어, 기존 초고체 연구 시스템에는 없던 전기적 가변성을 제공한다. 연구팀은 초고속 광자 소자, 뉴로모픽 컴퓨팅 가속기, 초고체 편광 감도를 활용한 광학 센서 등에 대한 가능성을 거론했다. 다만 현재 단계는 현상 관측 수준이며, 실용 소자로 나아가려면 소자 수명 연장, 대면적 제조 공정, 신호 제어 기술 등 선결 과제가 남아 있다.