“양자임계점에 도달하기 위해서는 화학적 치환, 압력 또는 자기장과 같은 외부변수가 가해져야 하고, 특히 그 중 화학적 치환을 통한 양자임계 효과에 대한 연구는 어렵습니다. 이는 화학적 치환에 의해 유도된 무질서가 이미 존재해 불순물 효과와 순전한 물리적 효과를 구별하는 것이 어려워지기 때문이죠. 따라서 양자임계현상과 고온초전도와의 상관관계를 이해하기 위해서는 외부변수가 필요하지 않은 태생적으로 고온초전도를 보이는 양자물질이 필요했습니다.”
이러한 필요성에 따라 박두선 교수 연구팀은 최근에 발견된 무거운 전자(heavy fermion) 물질인 CeCoIn5에 주목했다. 세륨(Ce), 코발트(Co), 인듐(In)을 포함하는 초전도체 CeCoIn5는 자기장이나 전기장 또는 화학적 치환 등 외부변수가 가해지지 않은 상태에서도 자연적으로 초전도상전이가 일어나며 양자임계현상을 보여주는 양자임계 초전도체이다. 연구팀은 CeCoIn5가 고온초전도의 메커니즘과 양자임계현상에 대한 불순물 효과를 연구할 수 있는 이상적인 양자물질이라는 판단을 내리고, CeCoIn5에 1~2% 미량의 카드뮴(Cd)을 첨가해 인듐 자리에 치환, 그 결과 초전도현상이 사라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 초전도 형성원인을 규명할 실마리이자 초전도현상의 제어 가능성을 열은 것으로, 정밀한 전자제어가 필요한 초전도 산업 분야에 널리 응용될 수 있다는 점에서 큰 주목을 받았다.

연구팀은 불순물 효과를 통해 양자임계현상과 초전도를 사라지게 한 뒤, 처음 원래의 상태로 되돌릴 수 있도록 압력을 가해주었다. 양자임계현상 분석에 주요한 역할을 해왔던 비열, 전기저항측정 및 자기공명실험을 통해서 물질 전체의 (global)상태는 불순물 효과에도 불구하고 가역적으로 돌아왔지만, 양자임계현상은 불순물 주변의 스핀물방울로 인해서 비가역적이 되는 것을 발견했다.
즉, 물이 얼었다가 온도가 높아지면 다시 물로 녹듯이 극저온에서 고체상태의 전자스핀들이 압력을 받아 액체상태로 바뀌지만 여전히 미량의 전자 불순물들이 고체상태를 유지한 결과 새로운 양자역학적 현상이 나타나는 것으로 풀이된다는 설명이다.
“이번 연구는 CeCoIn5를 통해 불순물이 초전도상과 양자임계현상 변화에 대해 어떤 역할을 하는지 규명한 것으로 앞으로 더 다양한 복잡전자물질계의 불균질한 전자구조상태를 이해하는 데 기반을 제공하리라 기대됩니다. 또한 저온영역에서의 무질서로 인한 양자임계현상의 비가역성은 양자역학이 가져다주는 새로운 물리현상에 대한 이해를 필요로 한다는 점에서 의미가 크다고 할 수 있습니다.”
박두선 교수가 주도하고 서순범 박사과정 연구원(제1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었으며 미국 로스알라모스국립연구소와 공동연구로 진행되었다. 연구결과는 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’지 2014년 2월 1일에 게재되었으며, 동 저널의 News&Views 에 소개 및 2월호의 표지 그림으로 선정되는 등 세계적인 반향을 불러일으키고 있다.

이처럼 개척자로서의 열정과 노력에 힘입어 박두선 교수의 논문은 네이처에 주저자로 2편, 네이처 피직스 주저자로 1편, PNAS 주저자로 1편, PRL에 11편이 게재되는 등 세계 과학계의 인정을 받으며 대한민국 연구자로서의 자존심을 굳건히 지키고 있다.
한편, 박두선 교수가 이러한 역량을 발휘할 수 있는 동력원은 그가 이끌고 있는 ‘양자물질 초전도 연구단’이라고 할 수 있다. 성균관대학교 양자물질 초전도 연구단은 현재 시료합성팀과 물성측정팀으로 구성되어 있으며 △란다우-페르미 조직원리가 붕괴되는 초전도 표준상태 이해 △초전도 갭 대칭성 연구를 통한 양자물질 초전도 메커니즘 이해 △고온초전도 이해 및 상온초전도체 디자인을 중심으로 연구를 수행 중이다.

 

“연구단은 표준상태가 란다우-페르미 준입자 원리로 설명이 불가능한 양자임계금속 및 초전도체에 나타나는 새로운 물리적 현상들을 발견, 분석함으로써 새로운 초전도의 모형으로 제시되고 있는 양자물질 초전도의 발견과 초전도 메커니즘을 이해하는 데 중점을 두고 있습니다. 전자의 유효질량이 무한대로 발산하는 현상을 보이는 양자임계영역은 다양한 전자상태가 겹쳐 있어서 기대하지 않은 새로운 양자상들의 발현이 용이하죠.”
즉, 양자임계요동이 너무 거칠고 크기 때문에 집단의 전자들이 자발적으로 새로운 양자상태를 만들어서 임계점으로 가는 것을 피한다는 설명이다. 양자임계점을 대체해서 나타날 바닥상태들은 관련된 자유도가 어떤 종류의 것인지에 따라서 그 특성이 결정되는데, 고온초전도체를 포함한 다양한 종류의 비정상 초전도체의 특징인 불순물에 대한 민감성 및 결과의 실험의존도 등은 양자임계 물질의 특징으로서 분류할 수 있다는 것이다.

“양자임계 물질에 대한 폭넓은 이해는 그동안 세계적인 노력에도 불구하고 미해결 문제로 남아있던 고온초전도 메커니즘에 대한 이해는 물론 나아가 상온초전도체의 디자인을 가능하게 할 것입니다. 이에 따라 우리 연구단의 장기 목표 역시 고온초전도의 메커니즘을 이해하고 이를 바탕으로 상온초전도체를 디자인하는 데 초점이 맞춰져 있습니다.”
연구단은 연구 수행 뿐 아니라 미래의 노벨상 수상자를 배출하기 위한 인재양성에도 지속적으로 노력을 기울이고 있다. 미국, 중국, 브라질, 러시아 등 해외 연구진들과 공동연구를 수행할 뿐 아니라 상호 간 인력 교류도 활발하게 진행 중이다. 또한 대학원생의 국내 및 해외학회 발표와 장단기 해외 대학 및 연구소 방문을 적극 권장하고, 세미나와 국제학회를 개최함으로써 연구원들의 글로벌 역량을 향상시키고 있다.