초전도성은 특정 임계 온도에서 물질의 전기 저항이 0으로 떨어지는 물리적 현상입니다. 바딘-쿠퍼-슈리퍼(BCS) 이론은 대부분의 물질에서 초전도성을 설명하는 효과적인 설명입니다. 이 이론은 쿠퍼 전자쌍이 충분히 낮은 온도에서 결정 격자 내에서 형성되며, BCS 초전도성은 쿠퍼 전자쌍의 응축에서 비롯된다고 주장합니다. 그래핀 자체는 우수한 전기 전도체이지만, 전자-포논 상호작용이 억제되어 BCS 초전도성을 나타내지 않습니다. 이것이 금이나 구리와 같은 대부분의 "좋은" 전도체가 "나쁜" 초전도체인 이유입니다.
기초과학연구원(IBS, 한국) 복잡계 이론물리 연구단(PCS) 연구진은 그래핀에서 초전도성을 구현하는 새로운 대안 메커니즘을 보고했습니다. 연구진은 그래핀과 2차원 보스-아인슈타인 응축물(BEC)로 구성된 하이브리드 시스템을 제안하여 이러한 성과를 달성했습니다. 이 연구는 2D 머티리얼즈(2D Materials) 저널에 게재되었습니다.
그래핀의 전자 가스(상층)와 간접 엑시톤(청색 및 적색 층)으로 표현되는 2차원 보스-아인슈타인 응축물(상층)로 구성된 하이브리드 시스템입니다. 그래핀의 전자와 엑시톤은 쿨롱 힘에 의해 결합됩니다.
(a) 온도 보정을 적용한 보골론 매개 공정(점선)과 온도 보정을 적용하지 않은 보골론 매개 공정(실선)에서 초전도 간극의 온도 의존성. (b) 온도 보정을 적용한 보골론 매개 상호작용(빨간색 점선)과 온도 보정을 적용하지 않은 보골론 매개 상호작용(검은색 실선)에서 초전도 전이 임계 온도를 응축물 밀도에 따라 나타낸 그래프. 파란색 점선은 응축물 밀도에 따른 BKT 전이 온도를 나타낸다.
초전도 외에도 BEC(보즈-페르미 상태)는 저온에서 발생하는 또 다른 현상입니다. 이는 1924년 아인슈타인이 처음 예측한 다섯 번째 물질 상태입니다. BEC는 저에너지 원자들이 모여 동일한 에너지 상태에 도달할 때 형성되며, 응집물질물리학에서 광범위한 연구 분야입니다. 하이브리드 보스-페르미 시스템은 본질적으로 전자 층과 보손 층(간접 엑시톤, 엑시톤-폴라론 등)의 상호작용을 나타냅니다. 보스 입자와 페르미 입자의 상호작용은 다양하고 새롭고 흥미로운 현상들을 야기하여 양측 모두의 관심을 불러일으켰습니다. 기본적이고 응용 지향적인 관점입니다.
본 연구에서 연구진은 그래핀에서 새로운 초전도 메커니즘을 보고했는데, 이는 일반적인 BCS 시스템에서 포논이 아닌 전자와 "보골론" 간의 상호작용에 기인합니다. 보골론 또는 보골류보프 준입자는 BEC에서 입자의 특정 특성을 갖는 여기 상태입니다. 특정 매개변수 범위 내에서 이 메커니즘은 그래핀의 초전도 임계 온도를 최대 70켈빈까지 높일 수 있습니다. 또한 연구진은 새로운 하이브리드 그래핀 기반 시스템에 초점을 맞춘 새로운 미시적 BCS 이론을 개발했습니다. 연구진이 제안한 모델은 초전도 특성이 온도에 따라 증가하여 초전도 갭의 비단조적 온도 의존성을 초래할 수 있음을 예측합니다.
또한, 연구에 따르면 그래핀의 디랙 분산이 이 보골론 매개 방식에서 보존됩니다. 이는 이 초전도 메커니즘이 상대론적 분산을 갖는 전자를 포함함을 시사하며, 이러한 현상은 응집물질물리학에서 잘 연구되지 않았습니다.
이 연구는 고온 초전도성을 달성하는 또 다른 방법을 제시합니다. 동시에 응축액의 특성을 제어함으로써 그래핀의 초전도성을 조절할 수 있습니다. 이는 향후 초전도 소자를 제어하는 또 다른 방법을 제시합니다.
게시 시간: 2021년 7월 16일 
