크롬 기반 물질 K2Cr3As3에서 세 초전도 위상 확인 — 스핀삼중항 초전도 가능성

스핀삼중항 초전도체와 그 의미

일반 초전도체에서는 쿠퍼쌍을 이루는 두 전자의 합산 스핀이 0이다. 반면 스핀삼중항 초전도체에서는 쌍을 이루는 전자들의 합산 스핀이 1로, 내부 자유도에서 비롯되는 다중 초전도 위상이 나타날 수 있다. 이 다중 위상 구조는 마요라나 속박 상태—위상적으로 보호된 준입자 여기—의 생성 가능성과 직결되어, 오류 내성 양자컴퓨팅 소자 개발에 있어 원천 소재로 주목받아 왔다. 그러나 이러한 물질은 지극히 희귀하며, 실험적으로 다중 위상을 명확히 증명한 사례는 지금까지 거의 없었다.

K2Cr3As3 선택 배경과 실험 설계

오카야마대학의 정궈칭(Guo-qing Zheng) 교수 연구팀은 전이온도 6.2 K를 갖고 자기적 규칙성이 없는 K2Cr3As3에 주목했다. 이 물질은 내부 스핀 자유도가 다양한 위상으로 발현될 여지가 있어 스핀삼중항 초전도의 이상적 탐색 대상으로 여겨졌다. 연구팀은 고온 용액 성장법으로 단결정을 제작한 뒤, 결정 c축에 평행하게 인가된 자기장과 온도를 넓은 범위에서 변화시키며 NMR로 초전도 상태의 스핀 감수율을 측정했다. NMR은 초전도 상태에서 스핀 감수율을 직접 탐침할 수 있는 사실상 유일한 수단이다.

세 초전도 위상의 특성

실험 결과, 온도·자기장 조건에 따라 세 가지 뚜렷한 초전도 위상(A, B, C)이 확인됐다. 낮은 자기장에서 냉각하면 먼저 위상 A가 나타나는데, 이 상태에서는 스핀 배열이 전자의 운동량에 따라 방향을 바꾸면서도 시간역전 대칭이 유지된다. 같은 낮은 자기장 조건에서 온도를 더 낮추면 위상 B로 전이하며, 이 경우 운동량 의존적인 비대칭 초전도 구조가 형성되고 시간역전 대칭이 깨진다. 높은 자기장을 가할 때는 위상 C가 출현하며, 이 위상에서 초전도 갭은 고립된 점이 아닌 연속된 선을 따라 소멸하는 독특한 구조를 보인다.

위상학적 초전도와 양자컴퓨팅 함의

연구팀은 이들 위상 중 적어도 하나가 마요라나 여기를 호스팅할 수 있는 위상학적 특성을 지닌다고 분석했다. 스핀삼중항 초전도체에서 마요라나 상태는 외부 교란에 대해 위상학적으로 보호되므로, 오류율 저감이 요구되는 양자 정보 처리 소자에 원리적으로 적합하다. 또한 이번 연구에서 확인된 6.2 K의 전이온도는 스핀삼중항 초전도가 확인된 물질 중 가장 높은 수준으로, 실용 가능성 측면에서 의미를 갖는다.

한계와 향후 과제

다만 이번 연구는 K2Cr3As3이 스핀삼중항 초전도체임을 강하게 시사하는 증거를 제시한 것이며, 마요라나 상태의 직접 관측이나 소자화 가능성은 아직 검증되지 않았다. 연구팀은 같은 NMR 기반 접근법을 다른 후보 물질에 적용해 전이온도를 더욱 높이는 방향의 후속 탐색을 진행할 계획이다. 결과는 Physical Review Letters에 게재됐다(DOI: 10.1103/kykd-2nj4).