캐나다 INRS, TR-ARPES로 큐프레이트 초전도체의 슈도갭·초전도 상태 경쟁 관계 최초 직접 관측

40년 묵은 질문: 슈도갭은 협력자인가, 경쟁자인가

고온 초전도 연구는 1986년 Bednorz와 Müller가 구리 기반 화합물인 큐프레이트(cuprate)에서 비교적 높은 온도의 초전도 현상을 발견하면서 본격화됐다. 이 발견은 이듬해 노벨 물리학상으로 이어질 만큼 중요했지만, 정작 큐프레이트가 왜 초전도 상태에 진입하는지는 수십 년이 지난 지금까지도 완전히 해명되지 않았다.

그 핵심 쟁점은 슈도갭(pseudogap)이라 불리는 양자 상태다. 초전도 전이 온도 이상에서 전자 스펙트럼 일부가 비어 있는 듯 보이는 이 상태가 초전도를 선행·촉진하는지, 아니면 오히려 억제하고 경쟁하는지를 두고 물리학계는 오랫동안 엇갈린 견해를 유지해 왔다.

TR-ARPES로 숨겨진 상태를 꺼내다

INRS 연구팀은 시간·각도 분해 광전자 분광법(TR-ARPES)을 활용해 이 문제에 접근했다. 실험의 핵심은 빛 펄스를 샘플에 조사해 초전도 상태를 일시적으로 억제한 뒤, 소재의 전자 구조가 실시간으로 어떻게 변화하고 회복하는지를 직접 추적하는 것이다.

INRS의 고출력 레이저광원(ALLS) 시설에 구축된 TR-ARPES 장치를 이용해 얻어진 결과는 명확했다. 초전도가 억제되는 순간 슈도갭이 강화되어 나타났고, 초전도가 회복되자 슈도갭은 다시 사라졌다. 이 과정에서 연구팀은 빛으로 유도된 일시적 슈도갭 상태를 처음으로 관측했으며, 기존 기법으로는 접근하기 어려웠던 전자 상태를 포착하는 데 성공했다. 제1저자는 Boschini 연구실 소속 박사과정생 Dario Armanno다.

경쟁 관계 지지하는 새 증거

이번 연구 결과는 슈도갭이 초전도의 전구체(precursor)라는 전통적 가설에 반하는 증거를 추가한다. 두 상태가 번갈아 나타나는 패턴은 이들이 같은 전자 자유도를 두고 경쟁한다는 해석을 강하게 지지한다.

뉴욕 플래티런 연구소(Flatiron Institute) 계산 양자물리 센터의 Olivier Gingras 박사 연구팀이 이론·계산 측면에서 협력해 실험 결과를 뒷받침했다. 두 상태가 동시에 교란될 때의 거동을 이론적으로 재현하는 것이 핵심 과제였다고 연구팀은 설명했다.

기초 연구에서 응용까지의 거리

이번 성과는 어디까지나 기초 연구다. 큐프레이트 기반 상온 초전도체 개발이나 전력망 효율화에 곧바로 이어지지는 않는다. 하지만 슈도갭의 역할을 명확히 하는 것은 고온 초전도 메커니즘 규명의 전제 조건이며, 장기적으로는 전력 손실 없는 송전망, 의료 기술, 그리고 초전도 큐비트 기반 양자컴퓨팅 인프라의 물질 설계에 영향을 미칠 수 있다. 캐나다 국가 양자 전략의 틀 안에서 수행된 연구라는 점도 향후 연구 계속성 측면에서 주목된다.

연구 한계로는 특정 큐프레이트 시료에 국한된 관측이라는 점, 그리고 비평형(non-equilibrium) 상태에서 얻어진 결과가 평형 조건에서도 동일하게 적용되는지 추가 검증이 필요하다는 점을 들 수 있다.