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초전도 현상은 어떻게 시작될까요? 숨겨진 전자의 흐름을 밝히다
날짜  : 2026년 7월 1일 

 

(윗줄 왼쪽부터) 공동 제1저자인 차재훈 박사, 이형은 박사, 심상준 석사. 아랫줄 왼쪽부터 공동 교신저자인 이성빈 교수, 한명준 교수, 김영관 교수.

 

전기가 저항 없이 흐르는 현상인 초전도 현상은 양자 컴퓨터와 차세대 전력 기술의 핵심으로 여겨집니다. 그러나 초전도 현상이 나타나기 전 전자의 정확한 상태는 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 초전도 현상과 밀접한 관련이 있는 물질인 카고메 금속에서 초전도 현상 이전에 전자가 형성하는 숨겨진 질서에 대한 실험적 단서를 제시했습니다. 연구팀은 전자가 주기적으로 밀집되는 현상(전하 밀도파)보다 고리 모양으로 순환하는 질서(루프 전류 질서)가 먼저 나타난다는 것을 확인했습니다.

KAIST(이광형 총장)는 30일 김영관, 한명준, 이성빈 물리학과 교수 연구팀이 원형이색분광각분해광법(CD-ARPES) 실험과 이론 계산을 통해 카고메 금속 CsV3Sb5에서 전하밀도파 형성 온도보다 높은 온도에서 시간역전 대칭성 파괴가 일어난다는 사실을 발견했다고 발표했다. 시간역전 대칭성은 시간이 반전되더라도 물리적 현상이 동일하게 나타나는 성질이다. 이 대칭성이 깨진다는 것은 물질 내 전자들이 특정한 방향성을 가진 숨겨진 흐름을 만들어냈을 가능성을 시사한다.

<카고메 격자와 격자 내 루프 전류 순서를 나타내는 개략도 (AI 생성)>

 

카고메 금속은 일본 전통 바구니 짜기 무늬인 '카고메'와 유사한 삼각형 원자 배열을 가진 물질입니다. 이러한 구조에서 전자들은 서로 강하게 상호작용하여 전하 밀도파, 초전도, 위상 전자 상태와 같이 일반 금속에서는 보기 드문 다양한 양자 현상을 나타냅니다. 특히 CsV₃Sb₅는 저온에서 전하 밀도파와 초전도성을 모두 나타내어 차세대 양자 물질 연구의 핵심 플랫폼으로 주목받고 있습니다.

하지만 이 물질에서 전하 밀도파와 초전도 현상 사이에 또 ​​다른 숨겨진 전자 질서가 존재하는지에 대한 논쟁이 계속되어 왔다. 여러 실험에서 시간 역전 대칭성 파괴를 시사하는 신호가 보고되었지만, 이 현상이 전하 밀도파 형성의 결과인지 아니면 그 이전에 나타나는 독립적인 전자 질서인지 여부는 불분명했다.

이 논쟁을 해결하기 위해 연구팀은 고품질 CsV3Sb5 단결정에 좌우 원형 편광을 번갈아 가며 조사하고 방출되는 전자의 강도 차이를 정밀하게 측정했습니다. 그런 다음 실험 장치의 기하학적 구조로 인해 발생할 수 있는 허위 신호를 제거하고 물질 자체의 대칭성 파괴에서 비롯된 고유 신호만 분리해냈습니다.

그 결과, 시간 역전 대칭성 파괴 신호가 약 140~145K 부근에서 이미 나타나는 것을 확인했는데, 이는 전하 밀도파 형성 온도인 약 94K보다 상당히 높은 온도입니다. 이는 전자가 전하 밀도파 패턴을 생성하기 전에 루프 전류 질서, 즉 미시적인 고리 모양의 순환을 형성한다는 해석을 뒷받침합니다. 루프 전류 질서는 전자가 원자 격자 내에서 작은 고리를 따라 흐르는 것처럼 행동하는 전자 질서로, 오래전에 이론적으로 제안되었지만 실험적으로 검증하기는 어려웠습니다.

연구팀은 온도가 낮아짐에 따라 전자 구조가 어떻게 변화하는지도 추적했습니다. 고온에서는 일반적인 금속 상태가 나타났고, 중간 정도의 저온에서는 루프 전류 질서가 먼저 형성되었습니다. 온도가 더욱 낮아짐에 따라 전하 밀도파가 루프 전류 질서와 얽히는 복잡한 상태가 나타났고, 최종적으로 초전도 상태에 도달했습니다. 이 연구는 CsV3Sb5에서 '루프 전류 질서 → 전하 밀도파 → 초전도'로 진행되는 계층적 상전이 구조를 제시합니다.

이 연구 성과는 초전도 현상의 근본 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 초전도 현상이 발생하기 전에 전자가 어떤 질서를 형성하는지, 또는 어떤 전자 질서가 초전도 현상과 경쟁하거나 협력하는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 본 연구는 초전도 상태 이전에 시간 역전 대칭이 깨진 전자 상태가 존재함을 입증함으로써, 일반적인 메커니즘과는 다른 방식으로 작동하는 비전통적인 초전도 현상을 이해하는 데 중요한 해답을 제시합니다.

더 나아가, 본 연구는 카고메 금속을 넘어 다른 초전도 물질에 숨겨진 전자 질서를 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 특히, 구리계 고온 초전도체에서 오랫동안 논의되어 온 초전도 전의 특이한 전자 상태(유사 갭)를 설명하는 데 참고 자료가 될 수 있을 것이다.

김영관 교수는 "이번 연구는 기존에는 간접적인 신호로만 논의되었던 카고메 금속의 전자 구조 내에서 시간 역전 대칭성 붕괴 현상을 직접 추적한 결과입니다. 초전도 상태에 도달하기 전 전자들이 질서를 형성하는 순서를 보여줌으로써, 비전통적인 초전도 현상 및 강상관 양자 물질 연구에 새로운 기준점을 제시했습니다."라고 밝혔습니다.

한명준 교수는 "핵심은 실험에서 관찰된 원형 이색성 신호가 루프 전류 질서에서 예상되는 전자의 궤도 운동 패턴(궤도 각운동량 패턴)과 완벽하게 일치한다는 점입니다. 이는 실험과 이론을 결합하여 숨겨진 전자 질서의 미시적 기원을 밝혀낸 사례입니다."라고 덧붙였다.

KAIST 물리학과 차재훈, 이형은, 심상준 연구원이 본 연구의 공동 제1저자로 참여하였다. 연구 결과는 2026년 6월 15일 국제 물리학 저널 네이처 피직스(Nature Physics) 온라인판에 게재되었다.

논문 제목: 카고메 금속에서 전하 밀도파 질서 이상에서 시간 역전 대칭성 깨짐의 증거
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03331-2

본 연구는 한국 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견연구자 육성사업 및 가속인력양성사업, 한국과학연구원(KRISS), 미 공군과학연구소(AFOSR), 그리고 미국 에너지부 기초에너지과학사업부(DOE BES)의 지원을 받아 수행되었습니다.