기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단 김성웅 연구위원과 송준성 박사후연구원 연구팀이 평상시 대기압에서 초전도 현상을 보이는 새로운 삼차원 위상 디락 반금속 '포타슘징크비스무트'(KZnBi)를 발굴했다고 12일 밝혔다. 초전도 특성은 양자컴퓨터 기술을 구현하는 데 쓰인다.
양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 1 또는 0의 값을 갖는 비트 단위가 아닌 0과 1의 값을 동시에 갖는 큐비트 단위로 정보를 읽는다.
양자컴퓨터에서 큐비트를 만들기 위해서는 전기저항이 0이 되는 초전도 상태를 구현해야 하는데, 극저온 등 까다로운 제작 조건이 필요하다. '삼차원 위상 디락 반금속'(Three dimensional topological Dirac semimetal)은 질량이 거의 없는 디락 입자가 삼차원 운동량 공간에 존재해 초전도 특성을 갖는 소재로 주목받고 있다.
연구팀은 디락 입자(빛의 속도에 가깝게 움직이는 질량이 거의 없는 입자)가 존재하는 그래핀(흑연의 한 층에서 떼어낸 벌집 모양의 2차원 물질)을 쌓아 올려 3차원 벌집 구조의 칼륨과 아연, 창연으로 구성된 화합물 KZnBi을 합성하는 데 성공했다.
분광 실험과 이론 계산을 통해 삼차원 공간 상에 질량이 거의 없는 디락 입자가 존재함을 밝혔다. 이어 임계 자기장 측정을 통해 KZnBi 표면에서 상압 초전도 현상이 나타남을 확인했다.
대기압과 같은 1기압 정도의 압력에서 전기저항이 '0'이 되는 삼차원 위상 디락 반금속을 찾아낸 것은 이번이 처음이다.
양자컴퓨터 연구에 필수적인 새로운 위상 물질 개발에 기여할 것으로 기대된다. 이번 연구에는 한국과학기술원(KAIST), 이스라엘 와이즈만연구소 등이 공동으로 참여했다.
연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 엑스'(Physical Review X) 지난달 28일 자에 실렸다.