Cornell 연구팀, UTe₂에서 두 초전도 상태 공존 열역학 실증…위상 초전도 최유력 후보 규명

위상 초전도체 탐색과 UTe₂의 위치

위상 초전도체는 양자컴퓨팅에서 위상학적으로 보호되는 큐비트를 구현하는 데 핵심적인 소재로 꼽히지만, 아직 실험적으로 설득력 있게 확인된 사례가 없다. 적어도 한 대형 기술 기업이 이를 공학적으로 만들어내려 수십억 달러를 투입했음에도 아직 성공하지 못했다. 코넬대 Brad Ramshaw 교수 연구팀은 이미 6,000종 이상 목록화된 초전도 물질 중 UTe₂가 위상 초전도 구현에 필요한 조건을 갖춘 물질임을 이번 연구로 입증했다. 연구 결과는 2026년 10월 30일 Nature Physics에 게재됐다.

두 가지 초전도 '맛'이란 무엇인가

초전도 상태에서 전자 쌍은 서로 돌며 궤도를 이루는데, 이때 두 전자가 갖는 각운동량의 크기와 방향에 따라 서로 다른 '종류'의 초전도 상태가 정의된다. UTe₂는 극저온에서 발현되는 초전도 상태 하나, 강한 자기장이나 높은 압력 조건에서만 나타나는 또 다른 초전도 상태를 모두 가질 수 있다. 이 두 상태가 동시에 존재하고 상호 작용한다는 점이 이 물질의 핵심 특징이다. 다른 희귀 중페르미온 초전도체는 자기장에 따라 초전도 종류가 바뀌는 데 반해, UTe₂는 두 가지를 한꺼번에 보여준다.

잘못된 위상도를 다시 그리다

박사과정 제1저자 Sahas Kamat는 압력이 UTe₂에서 자기장과 유사한 새 초전도 상태를 유발하는지를 연구하던 중, 기존 문헌에 열역학적으로 불일치하는 위상도(phase diagram)가 존재함을 발견했다. 연구팀은 기존 데이터와 독립적으로 위상도를 처음부터 다시 작성했다. 실험 조건은 5밀리미터 면적에 약 18,000파운드의 극한 압력을 가하는 방식이었으며, 온도는 1~2켈빈 수준으로 낮췄다. 새로 그려진 위상도에는 저온 단독 초전도 영역, 압력 유도 초전도 영역, 그리고 두 상태가 겹치는 공존 영역이 명확히 구분된다.

냉각 시 초전도 소멸: 첫 실험 증거

두 초전도 상태가 교차하는 영역에서 이들은 경쟁 관계를 이루며, 온도가 내려갈수록 한 상태가 다른 상태에 의해 밀려나 소멸하는 현상이 관찰됐다. 온도가 낮아질수록 초전도성이 강화되는 것이 일반적인 패턴이지만, 이 경우는 반대로 냉각이 특정 초전도 상태를 사라지게 만든다. 이론적으로는 예측된 가능성이었으나, 실험으로 직접 확인된 것은 이번이 처음이다.

양자컴퓨팅 응용까지의 거리

이번 성과가 즉각적인 양자컴퓨터 적용으로 이어지기까지는 여러 단계가 더 남아 있다. 연구팀은 UTe₂가 위상 초전도 구현에 필요한 재료적 조건을 갖추고 있음을 열역학적으로 뒷받침했을 뿐, 실제로 위상 초전도 상태가 존재한다는 직접적 증명에는 이르지 못했다. 공동 연구에는 메릴랜드대학교, 독일 카를스루에 공과대학교(KIT), 캐나다 고등연구원(CIFAR)이 참여했다.