KAIST, 카고메 금속서 초전도 전 전자 ‘고리전류 질서’ 확인

김용관·한명준·이성빈 교수 공동연구팀, ‘고리전류 질서→전하밀도파→초전도’ 전이 과정 규명

KAIST 물리학과 김용관·한명준·이성빈 교수 공동연구팀이 차세대 양자물질로 주목받는 카고메 금속 CsV₃Sb₅에서 초전도가 나타나기 전 전자들이 먼저 ‘숨은 질서’를 형성한다는 사실을 실험과 이론을 통해 규명했다.

초전도는 전기가 저항 없이 흐르는 현상으로, 양자컴퓨터, 자기부상열차, 차세대 전력망 등 미래 기술의 핵심 기반으로 꼽힌다. 그러나 전자들이 어떤 과정을 거쳐 초전도 상태에 도달하는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 이번 연구는 초전도가 시작되기 전 전자들이 어떤 순서로 움직이며 질서를 형성하는지를 보여준 결과다.

카고메 금속은 일본 전통 바구니 문양인 ‘카고메’처럼 삼각형이 반복되는 원자 구조를 가진 물질이다. 이 구조에서는 전자들이 서로 강하게 영향을 주고받으며 일반 금속에서는 보기 어려운 다양한 양자현상이 나타난다. 특히 CsV₃Sb₅는 초전도와 전하밀도파가 모두 나타나는 대표적인 카고메 금속으로, 차세대 양자소재 연구의 핵심 물질로 다뤄지고 있다.

그동안 세계 연구진은 CsV₃Sb₅에서 초전도가 나타나기 전에 또 다른 숨은 전자 질서가 존재하는지를 두고 논쟁을 이어왔다. 일부 실험에서 시간반전대칭성 깨짐의 흔적이 관측됐지만, 이것이 전하밀도파가 생긴 뒤 나타나는 현상인지, 그보다 먼저 독립적으로 형성되는 전자 질서인지는 명확하지 않았다.

연구팀은 이 문제를 확인하기 위해 원편광-각분해광전자분광(CD-ARPES)을 활용했다. 왼쪽으로 도는 빛과 오른쪽으로 도는 빛을 시료에 번갈아 비추고, 물질 밖으로 방출되는 전자의 움직임을 정밀하게 분석하는 방식이다. 연구팀은 실험 장치에서 발생할 수 있는 외부적 신호를 제거하고, 물질 자체에서 나오는 신호를 분리해 분석했다.

연구 결과, 전자들이 규칙적인 무늬를 이루는 전하밀도파가 시작되는 약 94K보다 높은 약 140~145K에서 이미 전자 움직임에 방향성이 생긴다는 사실이 확인됐다. 이는 전하밀도파가 형성되기 전부터 전자들이 무작위로 움직이는 것이 아니라, 작은 고리 모양으로 함께 순환하며 고리전류 질서를 만들고 있었다는 의미다.

연구팀은 온도를 낮추면서 전자 상태가 변화하는 과정을 순서대로 확인했다. 처음에는 전자들이 작은 고리 모양으로 함께 순환하는 고리전류 질서를 만들고, 이어 전자 밀도가 일정한 간격으로 높아졌다 낮아지는 전하밀도파를 형성한 뒤, 마지막으로 전기가 저항 없이 흐르는 초전도 상태에 도달했다. 이를 통해 전자 질서가 ‘고리전류 질서→전하밀도파→초전도’의 순서로 변화한다는 점을 제시했다.

이론 계산도 실험 결과를 뒷받침했다. 연구팀은 제1원리 계산과 타이트바인딩 모델을 이용해 고리전류 질서가 존재할 때 전자 궤도각운동량이 어떤 패턴을 보여야 하는지 계산했으며, 그 결과가 실험에서 관측된 원편광 이색성 신호의 부호와 에너지 의존성을 설명하는 것으로 나타났다.

이번 연구에는 KAIST 물리학과 차재훈 박사, 이형근 박사, 심상준 석사가 공동 제1저자로 참여했다. 김용관·한명준·이성빈 교수는 공동 교신저자로 연구를 이끌었다. 연구 성과는 물리학 분야 국제 학술지 ‘Nature Physics’에 2026년 6월 15일 온라인 게재됐다. 논문명은 ‘Evidence of time-reversal symmetry breaking above the charge density wave order in a kagome metal’이며, DOI는 10.1038/s41567-026-03331-2이다.

김용관 교수는 “이번 연구는 초전도가 나타나기 전 전자들이 어떤 순서로 움직이며 숨은 질서를 만드는지를 처음으로 보여준 연구”라며 “초전도가 만들어지는 원리를 이해하고 새로운 초전도 물질을 개발하는 데 중요한 단서를 제시했다”고 말했다.

한명준 교수는 “실험 결과가 이론에서 예측한 전자들의 움직임과 정확히 일치한다는 점이 이번 연구의 핵심”이라며 “실험과 이론을 함께 검증해 숨은 전자 질서의 존재를 더욱 명확하게 입증했다”고 밝혔다.

이성빈 교수는 “이번 결과는 전하 고리전류 질서와 전하밀도파가 따로 존재하는 것이 아니라 서로 얽혀 복합적인 양자상태를 만든다는 점을 보여준다”며 “향후 이러한 상전이 계층을 제어하면 새로운 초전도 상태를 설계하는 데 중요한 실마리가 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 우수연구-중견연구 및 가속기인력양성사업, 한국표준과학연구원, 미 공군과학연구소, 미국 에너지부 기초에너지과학실 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀의 결과는 초전도가 단순한 금속 상태에서 바로 나타나는 것이 아니라, 이미 특정 전자 질서가 형성된 배경 위에서 나타난다는 점을 보여준다는 점에서 초전도 원리 이해와 새로운 양자상태 탐색의 기초 자료로 활용될 수 있다.

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