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2D 재료 스택이 가정 주방에서 쉽게 얻을 수 있는 따뜻한 온도에서 획기적인 과전류를 허용할 수 있을까요? 

벨기에의 안트베르펜 대학교(University of Antwerp)와 이태리, 호주의 국제 공동연구팀이 8월에 발표한 국제 연구는 부엌 냉장고 내부와 같이 "따뜻한" 온도에서 고온 과전류에 대한 새로운 경로를 열었음. 궁극적인 목표는 합리적인 온도에서 초전도성(즉, 저항에 대한 에너지 손실없이 전류)을 달성하는 것임. 이전에는 영하 170 °C 미만의 비현실적인 낮은 온도에서만 초전도가 가능했음. 심지어 남극도 너무 따뜻할 것임. 이러한 이유로 초전도체의 냉각 비용이 높기 때문에 고가의 에너지 집약적인 냉각 시스템이 필요함. 일상적인 온도에서의 초전도는 이 분야 연구자들의 궁극적인 목표임.

이 새로운 반도체 초격자 장치는 기존의 실리콘 기반 (CMOS) 전자 장치보다 계산당 에너지 소비량이 훨씬 더 적은 근본적으로 새로운 종류의 초저에너지 전자 장치의 기반을 형성할 수 있음. 고체 상태 트랜지스터가 실온에서 저항없이 0과 1 (즉, 바이너리 스위칭) 사이를 전환하는 새로운 유형의 전도에 기반한 이러한 전자 장치는 FLEET Center of Excellence의 목표임. 반대로 하전된 전자와 반도체의 정공은 전기적으로 서로 강하게 끌리기 때문에 단단히 결합된 쌍을 형성할 수 있음. 이러한 복합 입자를 엑시톤이라고 하며 실온에서 저항없는 전도를 향한 새로운 경로를 열어 둠. 엑시톤은 원칙적으로 "초유체" 상태에서 저항없이 함께 움직이는 양자를 형성할 수 있음. 이렇게 단단히 결합된 엑시톤을 사용하면 초유동성이 실온과 같은 높은 온도에서도 존재해야 함. 그러나 불행히도 전자와 정공이 너무 가깝기 때문에 실제로 엑시톤은 극도로 짧은 수명을 가짐. 초 유체를 형성하기에 충분한 시간이 아님. 이에 대한 해결 방법으로, 전자와 정공을 원자적으로 얇은 전도층으로 완전히 분리하여 소위 "공간 간접" 엑시톤을 생성하는 것임. 전자와 정공은 분리되어 있지만 매우 가까운 전도 층을 따라 이동함. 이것은 엑시톤의 수명을 오래 지속하게 만들고, 실제로 그러한 시스템에서 최근에 초유동성이 관찰되었음. 반대로 하전된 전자와 정공이 별도의 층에서 함께 이동하는 엑시톤 초유체의 흐름은 소위 "초 전류"(소모가 없는 전류)가 되게 함. 즉, 저항이 0이 되고 낭비되는 에너지가 0이 되도록 함. 따라서 미래의 초저에너지 전자 제품에 대한 흥미로운 전망을 가능케 함.

본 연구 성과는 ‘Physical Review B’ (“Three-dimensional electron-hole superfluidity in a superlattice close to room temperature”) 지에 게재됨