[기획] 빛 없는 ‘암흑 공동’ 안 6층 NbSe₂, 초전도 전이 최대 5.4% 상승

외부 빛을 켜지 않은 금속 고리 안에서 초전도가 시작되는 온도가 조금 움직였다. 중국과학기술대와 허페이국가실험실 등이 같은 배치에서 만든 NbSe₂ 박막을 비교한 결과, 저항성 초전도 전이온도는 6층에서 최대 5.4±1.5%, 8·12·17층에서는 0.8±0.4%~1.0±0.2% 높아졌다. 6층의 기준값 약 4.1 K에 최대 상승률을 단순 적용하면 약 0.22 K, 즉 약 4.32 K가 된다. 다만 이는 편집부 환산값이지 논문이 보고한 정확한 최종 실측 온도는 아니다.

음악을 틀지 않은 공연장에도 어떤 소리가 울릴 수 있는지는 방의 모양이 결정한다. 이번 실험의 ‘암흑 공동’도 빛이나 광자가 전혀 없는 빈 공간이라는 뜻이 아니다. 외부 테라헤르츠 광원을 주입하지 않은 수동 공동이며, 연구진은 공연장의 모양에 해당하는 전자기 경계조건이 바뀌면서 진공의 영점 요동이 초전도 전이에 영향을 줬다고 해석했다.

도핑도 압력도 아닌 ‘주변 공간’을 바꾸다

이 결과가 눈길을 끄는 이유는 NbSe₂에 도핑을 하거나 압력·게이팅을 가하고, 강한 빛으로 펌핑하지 않았기 때문이다. 연구진이 바꾼 것은 시료 주변에서 어떤 전자기 진동이 허용되는지를 정하는 공동의 구조였다. 물질 자체에 외부 자극을 계속 가하지 않고도 평형 물성을 조절할 수 있다는 가능성을 시험한 셈이다.

장치는 SiO₂/Si 기판 위 NbSe₂와 hBN·Al₂O₃ 절연층을 쌓고, 그 위에 Au/Ti 분할고리 공진기, 즉 특정 테라헤르츠 진동을 가두는 금속 고리를 배치한 구조다. 금속의 높이는 Au 200 nm와 Ti 10 nm를 합쳐 약 210 nm다. 저자들이 공개 심사 과정에서 정정한 NbSe₂ 중심과 공동의 실제 수직 간격은 약 6 nm다.

실험 조건인 0.92 THz는 전기장이 1초에 9,200억 번 진동하는 주파수로, 한 주기는 약 1.09 ps, 즉 약 1조분의 1초다. 자유공간에서 이 주파수의 파장은 약 326 μm지만, 시뮬레이션으로 계산한 유효 공동 부피는 79 μm³로 한 변 약 4.3 μm인 정육면체와 같다. 선형 크기로 보면 파장보다 약 76배 작은 공간에 장을 모은 것이다.

시뮬레이션상 진공 전기장은 공동 안에서 약 260 V/m, 자유공간에서 약 0.43 V/m로 약 605배 차이가 났다. 보충자료에는 이를 ‘거의 네 자릿수’ 증가라고 표현한 대목이 있지만, 제시된 두 숫자의 단순 비는 약 605배, 2.78자릿수여서 내부 불일치가 있다. 유효부피와 장 세기는 직접 측정값이 아니라 계산값이라는 점도 구분해야 한다.

진공을 본 것이 아니라 저항 변화를 읽었다

연구진이 진공 요동 자체를 직접 관측한 것은 아니다. 동일한 NbSe₂ 박막에서 공동 안쪽과 바깥쪽의 저항-온도 전이를 비교한 전기수송 실험이다. 여기서 Tc는 열용량으로 얻은 열역학적 임계온도가 아니다. 저항 전이의 중앙부를 선형 적합한 뒤 정상저항선과 영저항선에 닿는 시작·종료 온도의 평균으로 정한 ‘저항성 전이온도’다.

층별 결과는 6층 5.4±1.5%, 8층 0.8±0.4%, 12층 1.0±0.1%, 17층 1.0±0.2%였다. 따라서 5.4%는 모든 NbSe₂ 장치에 적용되는 대표값이 아니라 이번 연구에서 나온 상한값이다. 전이온도 부근에서는 임계전류와 임계자기장도 함께 증가했지만, 낮은 온도에서는 임계전류의 뚜렷한 변화가 없었다. 저온 초전도 성능 전반이 크게 좋아졌다고 해석하기 어려운 이유다.

연구진은 제작이나 응력 효과를 가려내기 위해 여러 대조실험을 했다. 공진 공동을 만들지 않은 금속띠에서는 분간 가능한 변화가 없었다. 0.92 THz를 유지하며 공진기 종횡비를 1:1.2와 1:0.9로 바꿨을 때는 모두 1.0±0.1% 상승했다. Al₂O₃ 두께를 10 nm에서 20 nm로 바꾼 장치에서는 각각 1.0±0.1%, 1.2±0.2%였고, Al₂O₃ 대신 10 nm HfO₂를 쓴 12층 장치에서도 상승이 재현됐다. 라만분광에서는 주요 NbSe₂ 포논 피크의 분간 가능한 위치 이동이 없었다.

공동 위 10 nm 지점에 금속 평면을 더해 전자기 경계조건을 바꾸자 상승률은 공동만 있을 때의 1.0±0.1%에서 3.5±1.3%로 커졌다. 그러나 주파수를 바꾸면 효과는 한 방향으로 움직이지 않았다. 약 0.95 THz 부근에서 봉우리를 보였지만 0.78 THz에서는 Tc가 오히려 낮아졌다. 공동이 초전도를 언제나 강화하는 장치가 아니라는 내부 반례다.

가상광자 설명과 아직 특정되지 않은 매개체

상하이교통대 연구진이 중심적으로 수행한 이론은 Ginzburg-Landau 유효모형, 즉 초전도 전이 부근의 상태와 에너지를 거시적으로 기술하는 모형을 사용했다. 공동 모드와 초전도 요동이 가상광자를 교환할 때 서로 반대 부호의 보정이 경쟁하고, 특정 주파수에서는 초전도 상태의 자유에너지가 낮아질 수 있다는 설명이다.

하지만 이 모형이 실제 미시적 매개체를 확인한 것은 아니다. NbSe₂의 특정 포논이나 전자밴드, 전하밀도파가 어떤 역할을 했는지는 밝혀지지 않았다. 공동교신저자가 별도로 공개한 금지정리도 최소결합만 있는 수동 공동에서는 반자성 항 때문에 Tc를 높일 수 없으며, 추가 집단모드나 경쟁 질서의 억제가 필요하다고 제시했다. 이번 실험을 곧바로 부정하는 주장은 아니지만, ‘가상광자 교환만으로 강화됐다’는 단순한 설명에는 제동을 건다.

기관들은 이번 결과를 최초 실험 관측이라고 밝혔지만, 이를 전 세계 최초라고 넓혀 말하기는 어렵다. 2025년에는 Rb₃C₆₀에서 진동 강결합 조건 아래 Tc가 30 K에서 45 K로 높아졌다는 동료심사 연구가 보고됐다. 이번 연구의 차별점은 온칩 테라헤르츠 분할고리 공동 안팎을 전기수송으로 비교해 증거를 제시했다는 데 있다.

‘전체 도로’가 아닌 가장자리만 열린 것은 아닐까

대조실험이 여러 개라는 사실만으로 인과관계가 확정되지는 않는다. 한 심사자는 최종 수정 뒤에도 공동 안팎의 기준 Tc 차이와 라만 세기 차이를 지적하며 제작 손상·변형률·재료 불균일성을 완전히 배제하지 못했다고 판단했다. 같은 시료에서 공동과의 거리를 연속적으로 바꾸는 이동식 안테나도 구현하지 못했고, 금속 평면 추가 실험으로 대신했다.

오차막대 역시 여러 독립 표본의 표준편차가 아니라 주로 Tc 추출법에 따른 체계적 불확실성을 나타낸다. 공개 보충자료에서는 층수별 한 데이터점씩 확인되며, 전체 독립 장치 수와 성공률, 실패한 장치의 분포는 공개 문구만으로 확인되지 않는다. 특히 최대 5.4%가 얼마나 반복적으로 나타나는지 판단하려면 더 많은 정보가 필요하다.

가장 날카로운 질문은 전류가 흐른 공간이다. 계산된 강한 장은 공진기 가장자리의 폭 100 nm 미만 영역에 집중됐다. 고속도로 전체가 열린 것이 아니라 갓길 하나가 먼저 뚫려 교통이 흐르는 것처럼 보였을 가능성이 있다. 가장자리의 좁은 띠만 먼저 영저항 상태가 돼 내부를 우회하면, 측정상으로는 소자 전체의 전이온도가 올라간 것처럼 나타날 수 있다.

전자기 시뮬레이션도 NbSe₂를 완전도체로 처리하고 얇은 Al₂O₃·hBN 층을 생략했다. 장 분포가 실제 시료 어디에서 초전도를 바꿨는지 확인하려면 주사 SQUID, 터널링분광, 100 nm 이하 선폭 장치처럼 공간을 나눠 볼 수 있는 측정이 필요하다. 국내에서 이번 NbSe₂ 상승을 재현한 결과는 아직 확인되지 않았다.

이번 결과는 실온 초전도나 전력망 응용으로 가는 성능 향상이 아니다. 약 4 K에서 약 0.22 K를 움직인 원리증명이며, 논문도 ‘관측’보다 낮은 수위인 ‘증거’와 ‘수송 신호’라는 표현을 택했다. 2026년 8월 24일 기준 공개된 지 닷새에 불과하다. 전자기 경계조건만으로 평형 초전도 물성을 조절할 수 있는지에 대한 흥미로운 질문은 열렸지만, 답을 굳히는 일은 독립 재현과 공간분해 검증의 몫으로 남았다.

자료: 중국과학기술대, 중국과학원, 상하이교통대, 광주과학기술원, 한국과학기술원