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- 2차원 물질인 질화붕소, 양자 잡음 증폭만으로 초전도체 끄기 현상 유발
- 새로운 응용: 육각형 질화붕소와 ​​같은 2차원 물질은 추가 에너지 없이 특정 전자적 효과를 선택적으로 유도하거나 억제하는 데 사용될 수 있다.
- 자기적 또는 전기적 전도성 물질도 이와 같은 방식으로 제어할 수 있다.

양자 요동 증폭기 발견
2차원 물질인 질화붕소, 양자 잡음 증폭만으로 초전도체 끄기 현상 유발

놀라운 현상:
2차원 물질인 질화붕소가 우리 주변 모든 곳에 존재하는 양자 요동을 증폭시켜 다른 물질에 영향을 줄 수 있다는 사실이 실험을 통해 최초로 입증됐다. 훨씬 큰 초전도체 결정 위에 질화붕소 판을 올려놓자, 초전도체가 초전도성을 잃었다. 어떠한 에너지 입력이나 외부 자극 없이 마치 마법처럼 이러한 현상이 발생했다. 물리학자들은 이 양자 증폭 효과가 완전히 새로운 기술적 가능성을 열어줄 수 있다고 "네이처(Nature)"지에 발표했다. 

▲ (위 사진의) 초박막 2차원 물질인 질화붕소 층은 양자 요동을 증폭시켜 초전도체를 끌 수 있다. © Ella Maru Studio

우리 주변의 모든 것은 양자 요동으로 가득 차 있다. 심지어 우주의 진공조차도 마찬가지다. 이러한 미세하고 무작위적인 에너지 요동으로 인해 입자 쌍이 무에서 유를 창조하고 사라진다. 이러한 "양자 잡음"은 입자 물리학의 측정에도 영향을 미치며, LIGO 검출기의 거울과 같은 무거운 물체를 미세하게 움직이게 할 수도 있다. 일반적으로 양자 수준에서의 이러한 요동은 너무 미약해서 감지되지 않는다.

2차원 물질이 양자 증폭기 역할을 할 수 있을까?

최근 한 실험을 통해 양자 요동이 강한 전기장이나 다른 에너지원 없이도 결정의 특성을 변화시킬 정도로 증폭될 수 있음이 밝혀졌다. 필요한 것은 특정한 물질, 바로 육각형 질화붕소다. 단층 원자 구조로 이루어진 이 붕소-질소 화합물은 원자 구조 덕분에 특수한 성질을 지닌 2차원 물질 그룹에 속한다. 질화붕소는 보통 초박형의 불활성 절연체로 사용된다.

▲ 육각형 질화붕소의 구조. © gemeinfrei

물리학자들은 오랫동안 질화붕소와 ​​같은 특정 2차원 물질이 양자 요동을 증폭하는 역할을 할 수 있을 것이라고 추측했다. 이는 레이저 광파를 정렬하고 증폭하는 거울로 둘러싸인 레이저 공진기와 유사한 원리로 작동한다. 2차원 물질의 "어두운" 공동 공진기는 양자 요동에 공명을 일으켜 이를 증폭시킨다.

이론에 따르면, 이러한 진동은 전자기장과 다른 물질의 전자적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 2차원 물질의 존재만으로도 이러한 조작이 가능해야 한다는 것이 이 연구의 전제다.

"이것이 바로 우리가 오랫동안 찾아 헤매던 성석(聖石)이다.”

이제 물리학자들은 처음으로 증폭된 양자 요동의 효과를 실험적으로 입증하는 데 성공했다. 뉴욕 컬럼비아 대학교의 수석 저자인 드미트리 바소프(Dmitri Basov)는 "수십 년 동안 찾아 헤매던 바로 그 목표를 마침내 달성했음에 틀림없다"고 말했다. 바소프 교수와 제1 저자인 이타이 케렌(Itai Keren)이 이끄는 연구팀은 이 실험을 위해 60nm(나노미터) 두께의 육각형 질화붕소 시트를 양자 증폭기로 사용했다.

▲ 전자기 환경은 hBN과 κ-ET 사이의 계면에서 초유체 밀도를 변화시킨다. (출처:Published: 25 February 2026 / Cavity-altered superconductivity / nature)

질화붕소판의 반대편에는 훨씬 두꺼운 유기 초전도체 κ-ET 결정이 있었다. 이 결정은 11.5켈빈 이하로 냉각되면 전기 저항을 잃고 초전도성을 띈다. 물리학자들은 이 초전도체를 그에 상응하는 온도의 진공 챔버에 넣고 그 위에 질화붕소판을 올려놓았다.

질화붕소판이 초전도성을 억제

효과는 즉각적이었다. 질화붕소판을 κ-ET 결정 위에 올려놓자마자, 열이나 레이저 광선, 또는 다른 외부 자극 없이 초전도성이 사라졌다. 케렌과 그의 동료들이 확인한 바에 따르면, 이러한 억제 효과는 초전도 결정 내부로 최소 0.5㎛(마이크로미터)까지 미쳤다. 이는 초전도성을 유발한 질화붕소판 두께의 10배에 해당하는 두께다.

물리학자들에 따르면, 이는 양자 요동의 증폭이 실제로 물질의 특성에 영향을 미치고 변화시킬 수 있다는 최초의 실험적 증거다. 이 경우, 연구팀은 κ-ET 결정에서 초전도 현상을 멈추게 했다. "진공 요동은 극히 약하지만, 우리가 관찰한 효과는 엄청나다"고 함부르크 막스 플랑크 물질 구조 및 동역학 연구소의 공동 저자 앙엘 루비오(Angel Rubio)는 말했다.

▲ hBN/κ-ET 계면에서의 모드 결합. b, hBN/κ-ET 이종 구조에 대한 s-SNOM 실험 개략도. 원자력 현미경 팁에 의해 후방 산란된 연속파 광을 보여준다. 팁에 의해 생성된 hBN 내의 포논 폴라리톤은 hBN 가장자리에서 반사되어 s-SNOM 진폭에 간섭 패턴을 형성한다. 표시된 이미지는 입사광 주파수 ω = 1,477.6 cm⁻¹에서 촬영되었다. 가색 스케일은 정규화된 산란 진폭 S₄/S₃를 나타내며, S₄와 S₃는 각각 팁 탭핑 주파수의 4차 및 3차 고조파에서 복조된 근접장 진폭이다. 스케일 바, 1 μm. (출처:Published: 25 February 2026 / Cavity-altered superconductivity / nature)

이 효과는 공명 진동에서 비롯돼

추가 분석을 통해 이 "마법 같은" 효과의 물리적 원리도 밝혀졌다. 질화붕소에 의해 증폭된 양자 요동은 초전도 결정의 탄소-탄소 결합에 있는 전자의 진동수와 동일한 주파수로 진동한다. "진동 주파수가 일치하기 때문에 상호작용한다"고 케렌은 설명했다. 이러한 상호작용의 결과로 초전도체 내 전자의 거동이 변화하고 저항이 없는 상태가 유지되지 못하게 된다.

그 효과의 크기는 물리학자들조차 놀라게 했다. 루비오는 "이론으로는 아직 결과를 완전히 설명할 수 없다"면서도 "이제 진공 요동으로 유발되는 이러한 상호작용이 물질 내에 존재한다는 실험적 증거를 확보했다"고 말했다. 추가적인 분석과 실험이 필요하지만, 물리학자들은 이번 실험을 중요한 이정표로 보고 있다.

새로운 응용 가능성

장기적으로 이러한 양자 요동 증폭기는 새로운 응용 분야로 이어질 수 있다. 케렌의 동료인 타티아나 웹은 "이제 물질의 전자적 특성을 이런 식으로 변형할 수 있다는 증거를 얻었다"고 말했다. 따라서 육각형 질화붕소와 ​​같은 2차원 물질은 추가 에너지 없이 특정 전자적 효과를 선택적으로 유도하거나 억제하는 데 사용될 수 있다.

물리학자들은 또한 양자 요동에 의해 생성된 진동의 공명 주파수가 2차원 물질의 두께와 종류에 따라 제어될 수 있다고 가정한다. 케렌은 "만약 이를 제어할 수 있다면, 초전도체를 원하는 방향으로 조작할 수 있을 것"이라며, "이는 초전도체에만 국한되지 않는다"고 말했다. 다른 자기적 또는 전기적 전도성 물질도 이와 같은 방식으로 제어할 수 있다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-025-10062-6)
출처: Nature, Columbia University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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