성균관대학교(총장 유지범) 물리학과 김영국·박두선·손병민 교수 연구팀은 경희대 장보규 교수팀과 함께 금속 내 전자가 멈춘 듯 느려지는 두 가지 현상을 하나의 물질에서 동시에 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 전자 이동이 극도로 느려지는 ‘평평띠(flat band)’ 현상을 서로 다른 원리로 동시에 구현한 사례로, 양자 물질 연구의 새로운 전기를 마련했다는 평가다.

연구팀에 따르면 금속 내 전자는 일반적으로 빠르게 이동하며 전류를 형성하지만, 특정 구조에서는 이동이 억제돼 정체 상태에 가까운 거동을 보인다. 이때 전자 간 상호작용이 강화되면서 초전도 등 특이한 양자 현상이 나타날 수 있다.

기존에는 전자 정체를 유도하는 방식이 서로 다른 물질에서 각각 관찰됐다. 하나는 원자를 ‘카고메 격자’ 형태로 배열해 전자의 이동을 제한하는 ‘기하학적 가둠’ 방식이며, 다른 하나는 전자가 자성 원자와 결합해 무거워지는 ‘콘도 효과’다.

연구팀은 합금 물질 ‘YbCr₆Ge₆’를 분석한 결과, 이 두 현상이 하나의 물질에서 동시에 발생한다는 사실을 확인했다. 방사광 가속기 실험과 이론 계산을 통해 두 메커니즘이 상호작용하며 물질의 위상학적 성질까지 변화시킨다는 점도 규명했다.

특히 이러한 결합은 ‘위상학적 무거운 페르미온’ 상태를 형성하는 원형 물질을 제시한 것으로, 향후 양자 소자 설계에 활용될 핵심 기반으로 평가된다.

손병민 교수는 “두 가지 물리 현상이 한 물질에서 결합된 사례는 처음”이라며 “전자 거동을 정밀하게 제어할 수 있다면 초저전력 컴퓨팅과 고속 양자 소자 구현으로 이어질 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.