이종석 광주과학기술원(GIST) 교수팀이 서강대 등과 함께 고압 환경에서 바일 반금속의 구조 변화가 초전도성과 직접 연관됨을 실험적으로 입증했다.

26일 GIST는 이종석 물리·광과학과 교수 연구팀이 서강대학교와 공동으로 이차원 반데르발스 바일 반금속(WTe₂, MoTe₂)의 고압 구조 전이 과정을 분석하고, 이 변화가 전자적 특성과 초전도 현상과 밀접하게 연결된다는 사실을 실험으로 증명했다고 밝혔다.

이번 연구는 원자층 간 결합이 느슨한 이차원 물질에 압력을 가했을 때, 층간과 층내에서 구조가 단계적으로 변하며, 이러한 전이가 전자의 위상 상태 변화 및 초전도성 발현과 연결된다는 점을 실증적으로 보여줬다. 특히 2.5기가파스칼(GPa) 압력에서 WTe₂가 Td 구조에서 1T′ 구조로 바뀌며 자기저항이 급감하고 초전도 현상이 나타나는 것이 관찰됐다.

라만 분광, 광 펌프-프로브 기법 등을 통해 구조 변화와 전자 성질 간 연관성이 명확히 드러났으며, 이는 위상 물질 연구에서 중요한 진전을 의미한다. 또한 압력이 10GPa를 넘어서면 층 내부의 원자 배열까지 변형되며 1T′에서 1T″ 구조로 이행되는 이차 구조 전이도 확인됐다.

이와 같은 다단계 전이는 SHG(제2차 조화파) 신호 변화와 라만 모드 소실, 반사율 변화 등으로 실험적으로 입증됐으며, 이는 기존에 보고된 전하 밀도 변화 시점과도 정확히 일치한다.

연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 고압 위상 물질의 구조 모델을 새롭게 제안하고, 이를 통해 스핀트로닉스 및 양자 컴퓨팅을 위한 차세대 소재 연구에 중요한 이론적 틀을 제공했다고 설명했다. 이종석 교수는 “압력에 따른 구조와 전자 상태의 상관성을 밝힌 이번 연구는 양자 소자 개발을 위한 핵심 기반이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 서울대, 한국표준과학연구원, 포스텍 등의 공동 참여와 과학기술정보통신부 및 한국연구재단의 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 ‘NPG Asia Materials’에 2025년 4월 30일 온라인 게재됐다.