초전도 현상은 물질의 전기 저항이 특정 임계 온도에서 0으로 떨어지는 물리적 현상입니다. 바딘-쿠퍼-슈리퍼(BCS) 이론은 대부분의 물질에서 나타나는 초전도 현상을 효과적으로 설명하는 이론입니다. 이 이론은 충분히 낮은 온도에서 결정 격자 내에 쿠퍼 전자쌍이 형성되고, 이 전자쌍의 응축으로 인해 BCS 초전도 현상이 나타난다고 설명합니다. 그래핀 자체는 뛰어난 전기 전도체이지만, 전자-포논 상호작용이 억제되어 BCS 초전도 현상을 나타내지 않습니다. 이것이 바로 금이나 구리와 같은 대부분의 "좋은" 전도체가 "나쁜" 초전도체인 이유입니다.
한국 기초과학연구원(IBS) 복잡계 이론물리학센터(PCS) 연구진이 그래핀에서 초전도 현상을 구현하는 새로운 메커니즘을 제시했습니다. 연구진은 그래핀과 2차원 보스-아인슈타인 응축물(BEC)로 구성된 하이브리드 시스템을 제안하여 이러한 성과를 달성했습니다. 이번 연구는 학술지 '2D Materials'에 게재되었습니다.
그래핀 내 전자 가스(상층)와 간접 엑시톤(파란색 및 빨간색 층)으로 표현되는 2차원 보스-아인슈타인 응축물로 구성된 하이브리드 시스템입니다. 그래핀 내 전자와 엑시톤은 쿨롱 힘에 의해 결합되어 있습니다.
(a) 온도 보정을 적용한 경우(점선)와 적용하지 않은 경우(실선)의 보골론 매개 과정에서 초전도 갭의 온도 의존성. (b) 온도 보정을 적용한 경우(빨간색 점선)와 적용하지 않은 경우(검은색 실선)의 보골론 매개 상호작용에 대한 응축물 밀도에 따른 초전도 전이 임계 온도. 파란색 점선은 응축물 밀도에 따른 BKT 전이 온도를 나타낸다.
초전도 현상 외에도, BEC(보즈-아인슈타인 응축)는 저온에서 발생하는 또 다른 현상입니다. 이는 1924년 아인슈타인이 최초로 예측한 물질의 다섯 번째 상태입니다. BEC는 저에너지 원자들이 모여 동일한 에너지 상태가 될 때 형성되며, 이는 응집물리학에서 광범위하게 연구되는 분야입니다. 하이브리드 보스-페르미 시스템은 본질적으로 간접 엑시톤, 엑시톤-폴라론 등과 같은 전자층과 보손층의 상호작용을 나타냅니다. 보스 입자와 페르미 입자의 상호작용은 다양하고 새롭고 흥미로운 현상을 유발하며, 기초 및 응용 분야 모두에서 연구자들의 관심을 불러일으켰습니다.
본 연구에서 연구진은 일반적인 BCS 시스템에서 포논이 아닌 전자와 "보골론" 사이의 상호작용으로 인해 발생하는 새로운 초전도 메커니즘을 그래핀에서 발견했습니다. 보골론 또는 보골류보프 준입자는 BEC에서 나타나는 여기 상태로, 입자의 특성을 일부 지니고 있습니다. 특정 매개변수 범위 내에서 이 메커니즘은 그래핀의 초전도 임계 온도를 최대 70켈빈까지 높일 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 또한 새로운 하이브리드 그래핀 기반 시스템에 특화된 새로운 미시적 BCS 이론을 개발했습니다. 이 모델은 초전도 특성이 온도에 따라 증가할 수 있으며, 그 결과 초전도 갭이 단조롭지 않은 온도 의존성을 나타낼 수 있음을 예측합니다.
또한, 연구 결과에 따르면 이 보골론 매개 방식에서도 그래핀의 디랙 분산이 유지되는 것으로 나타났습니다. 이는 이 초전도 메커니즘이 상대론적 분산을 갖는 전자를 포함한다는 것을 의미하며, 이러한 현상은 응집물리학에서 아직 충분히 연구되지 않았습니다.
본 연구는 고온 초전도 현상을 구현하는 또 다른 방법을 제시합니다. 동시에, 응축물의 특성을 제어함으로써 그래핀의 초전도성을 조절할 수 있음을 보여줍니다. 이는 향후 초전도 소자를 제어하는 새로운 가능성을 제시합니다.
게시 시간: 2021년 7월 16일 
