[더테크 이지영 기자]  전류가 손실 없이 흐르는 초전도 현상을 비롯한 양자물질의 핵심은 전자들이 언제 질서를 이루고, 언제 흩어지는지에 있다. 국내 연구진이 그동안 이론과 간접 측정에 의존해온 전자 질서의 생성과 붕괴 순간을 실제 공간에서 직접 관측하는 데 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 물리학과 양용수·이성빈·양희준·김용관 교수 연구팀이 스탠퍼드대학교와 국제 공동연구를 통해, 양자물질 내부에서 전하밀도파(Charge Density Wave)가 형성되고 사라지는 과정을 세계 최초로 공간적으로 시각화했다고 20일 밝혔다.

전하밀도파는 극저온 환경에서 전자들이 일정한 간격으로 배열되며 나타나는 줄무늬 형태의 전자 질서로, 초전도와 같은 특이 양자현상과 밀접한 관련이 있다. 초전도 상태에서는 전자들이 서로 짝을 이뤄 움직이며 에너지 손실 없이 전류가 흐르고, 이는 MRI 장비와 자기부상열차 등 실용 기술로 이어지고 있다.

연구진은 액체헬륨으로 냉각한 특수 전자현미경과 4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)을 활용해 약 –253℃ 환경에서 전자 무늬의 변화를 실시간 관찰했다. 관측 결과, 전자 무늬는 물질 전체에 균일하게 형성되지 않았으며, 인접한 영역에서도 뚜렷한 차이를 보였다. 이는 물질 내부의 극미세한 변형(strain)이 전자 질서 형성에 결정적 영향을 미치기 때문으로 분석됐다.

또 일부 영역에서는 온도가 올라가도 전자 무늬가 쉽게 사라지지 않는 ‘양자 질서 섬’ 현상도 확인됐다. 연구팀은 전자들이 서로 얼마나 멀리까지 영향을 주는지까지 정량적으로 규명해, 전자 질서의 연결성과 유지 메커니즘을 이해할 새로운 분석 틀을 제시했다.

이번 성과는 전하밀도파와 초전도 간의 상호작용을 밝히는 데 중요한 단서를 제공하며, 고온 초전도체와 차세대 양자소재 개발로의 확장이 기대된다. 연구 성과는 물리학 분야 권위 학술지 Physical Review Letters 2026년 1월 6일 자에 게재됐다.