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보도에 따르면 프랑스와 스위스 연구팀은 특수 알고리즘을 활용해 '가짜 갭'을 둘러싼 다양한 의문을 해소하며, 실온 초전도체 개발에 한 걸음 더 다가섰다.
'가짜 갭', 초전도체의 숨겨진 비밀
'가짜 갭'은 큐프레이트(산화구리)와 같은 특정 물질에서 관찰되는 독특한 현상이다. 이 물질들은 극저온에서는 초전도체처럼 저항 없이 전류를 흐르게 하지만, 온도가 올라가면 반도체 또는 일반 금속의 특성을 보인다. 이러한 특이한 현상은 전자 에너지 레벨에 존재하는 '부분적인 갭' 때문인데, 이 갭은 일부 전자 쌍이 높은 온도에서 형성되지만 완전한 초전도 상태로 전환되지 못해 발생한다.
'가짜 갭'의 발생 원인과 메커니즘은 수십 년간 풀리지 않는 숙제였지만, 이번 연구를 통해 그 베일이 벗겨졌다.
연구팀은 "이번 발견은 실온 초전도체 개발에 중요한 단서를 제공하며, 무손실 전력 전송, 더 빠른 MRI, 초고속 부상 열차 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것"이라고 기대했다.
양자 얽힘, 슈퍼컴퓨터도 쩔쩔매는 난제
'가짜 갭' 연구의 가장 큰 난관은 양자 얽힘(quantum entanglement)이다. 양자 얽힘은 전자들을 서로 연결하여, 한 전자의 상태가 다른 전자에 즉각적인 영향을 미치게 한다. 이로 인해 '가짜 갭' 상태를 계산하는 것은 슈퍼컴퓨터로도 어려운 과제였다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '허버드 모델(Hubbard model)'을 활용했다. 허버드 모델은 물질 내 전자의 움직임과 상호작용을 설명하는 수학적 틀로, 큐프레이트와 같은 물질을 체스판으로, 전자를 체스 말처럼 간주하여 분석한다. 전자는 위 또는 아래 스핀 상태를 가지며, 반대 스핀을 가진 전자만 같은 위치를 공유할 수 있다.
'도식적 몬테카를로 알고리즘', 가짜 갭의 비밀 풀다
연구팀은 허버드 모델에서 전자의 행동을 계산하기 위해 '도식적 몬테카를로 알고리즘'을 사용했다. 이 알고리즘은 체스판 전체에서 발생하는 전자 상호작용을 한 번에 분석할 수 있어, 기존 알고리즘보다 훨씬 효율적이다.
스위스 연방 공과대학 로잔의 양자 과학자 리카르도 로시는 "도식적 몬테카를로는 원칙적으로 무한한 수의 입자를 시뮬레이션할 수 있다"고 설명했다.
이 알고리즘을 통해 연구팀은 '가짜 갭' 상태에 대한 새로운 사실들을 밝혀냈다. 예를 들어, '가짜 갭' 물질이 절대 영도에 가까워지면 "전자들이 빈 사각형 행으로 분리된 일치하는 스핀의 행으로 배열된다"는 것을 확인했다. 이러한 배열은 '줄무늬'라고 불리며, 이전 연구에서도 예측되었지만 이번 연구를 통해 처음으로 확인되었다.
또한, 연구팀은 '가짜 갭' 상태가 전자 배열에 나타나는 '체커보드 패치'의 결과라는 것을 발견했다. 즉, 체커보드 패치가 나타나면 물질은 '가짜 갭' 상태로 전환된다.
실온 초전도체 개발, 인류의 꿈을 향해
이번 연구는 '가짜 갭'에 대한 이해를 넓히고 실온 초전도체 개발에 중요한 발판을 마련했다. 실온 초전도체는 에너지 효율을 극대화하고 다양한 첨단 기술을 가능하게 하는 꿈의 물질이다.
연구팀은 앞으로 더 복잡한 모델을 개발하고 실험 결과와 비교 분석하여 가짜 갭과 초전도 현상의 관계를 더욱 깊이 탐구할 계획이다. 이들의 노력이 인류의 오랜 꿈인 실온 초전도체 개발로 이어질 수 있을지 귀추가 주목된다.
이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com
