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도쿄(東京)대학 대학원 공학계연구과부속 양자상일렉트로닉스연구센터, 교토(京都)대학 등의 공동 연구그룹이 층상 질화물·염화질화지르코늄(ZrNCl) 2차원 결정의 초전도 상태를 ‘이온 게이트법’에 의해 전자 밀도를 제어함으로써 일반 초전도체가 속하는, 전자가 고밀도의 극한에서부터 저밀도 극한으로의 변화(크로스 오버)를 실현함.

전기 저항이 제로라고 알려진 초전도는 물질 중의 전자가 쌍을 이룸으로써 발생함. 일반적인 초전도체에서는 전자가 고밀도로 존재하며 전자쌍이 무수히 겹쳐진 상태에 있음. 한편, 전자 밀도가 작아 전자쌍 겹침이 없는 경우, 초전도는 다른 메커니즘에서 발생한다고 여겨졌음. 이들 2종의 초전도 사이의 변화를 하나의 물질에서 실현한 연구는 없었음.

연구진은 ZrNCl 전자 수를 정밀하게 제어함으로써 전자 밀도를 감소시키고 크로스 오버 영역에 도달했음을 입증함. 전자가 고밀도 영역에서는 전자쌍을 만듦과 동시에 초전도가 됨. 그런데 전자 밀도를 작게 할수록 전자가 쌍을 형성하더라도 초전도가 되지 않는 상태를 볼 수 있게 됨. 또한, 온도를 더욱 냉각시키자 비로소 저항이 제로인 초전도로 전이하는 것을 확인함. 이처럼 밀도를 극한까지 작게 하면 초전도의 양상이 크게 변화하는 것은 초전도 보편적인 현상이라고 생각됨.

본 연구 성과는 전자를 비롯한 페르미온 입자 집합체의 본질적인 성질을 규명한 것으로, 높은 전이 온도를 갖는 초전도체를 연구하기 위한 초석이 될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Science(Gate-controlled BCS-BEC crossover in a two-dimensional superconductor)에 게재됨.