미국 라이스 대학교(RICE University)가 주도한 국제 공동연구팀이 탄탈-디설파이드(TaS₂)에 인듐을 소량 첨가해 전자 흐름 손실 없는 새로운 양자물질 ‘Kramer's Nodal Line Metal’을 개발했다고 5일 밝혔다.
이번 연구는 전자 소자의 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 양자소재 분야의 중대한 진전으로 평가된다. 연구팀은 기존 탄탈-디설파이드를 개량해 그 결정 대칭을 정밀하게 변형시켰고, 이를 통해 전례 없는 전자 구조 및 특성을 구현하는 데 성공했다.
해당 물질은 전자들이 스핀 방향에 따라 분리된 경로로 이동하며 손실 없이 전류를 전달하는 초전도 특성을 보였다. 이는 마치 양방향 고속도로에서 차량이 충돌 없이 운행되는 것과 유사한 개념이다. 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.
밍이(Ming Yi) 물리학과 천문학 교수는 “이번 연구는 향후 전자기기에서 요구되는 고성능·저전력 소자 개발에 필요한 새로운 양자물질 설계 전략을 제시한 것”이라며, “에너지 효율을 높이는 데 결정적인 역할을 할 수 있다”고 설명했다.
공동연구를 이끈 에밀리아 모로산(Emilia Morosan) 교수는 “전자 구조를 제어하기 위해 매우 엄격한 결정 대칭 조건을 만족시켜야 했다”며, “복잡한 설계와 정밀 측정이 필요했지만, 그 결과는 매우 유망하다”고 밝혔다.
연구팀은 스핀분해 각분해광전자분광(SARPES) 및 자기장 조건하의 실험을 통해 전자 구조를 정밀 분석했다. 아울러 이론적 계산도 병행해 실험 결과를 뒷받침했으며, 이 과정을 통해 새로운 전자 위상 구조를 확인했다.
스몰리-컬(Smalley-Curl) 연구소의 코노 준이치로 소장은 “이번 성과는 미래의 에너지 절감형 전자소자와 토폴로지 초전도체 개발에 기여할 수 있다”며, “앞으로도 이 물질의 미지의 특성을 탐색해 기술적 도약을 이끌 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 양자역학 기반 신소재의 설계와 구현 가능성을 입증하며, 차세대 전자기술의 핵심 소재로서 기대를 모은다. 연구진은 후속 연구를 통해 산업적 응용 가능성을 지속적으로 검증할 계획이다.
