70년 만에 마주한 양자 세계의 반전

2026년 4월 15일, 프랑스 국립과학연구원(CNRS, Centre National de la Recherche Scientifique)의 타리크 예프사(Tarik Yefsah) 연구팀이 물리학 저널 Physical Review Letters에 획기적인 연구 결과를 발표했다. 인류 역사상 처음으로 초전도성(superconductivity)의 근간이 되는 양자 쌍(quantum pair) 형성 과정을 직접 이미지로 포착하는 데 성공한 것이다. 더 놀라운 것은 결과물 자체였다. 쌍을 이룬 원자들이 마치 무도회장의 댄서들처럼 서로 동기화된 춤을 추며 다른 쌍과 일정한 거리를 유지한다는 사실이 확인됐는데, 이는 1957년 노벨 물리학상의 기반이 된 BCS 이론이 전혀 예측하지 못했던 현상이었다.

왜 이 발견이 중요한가

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 현상을 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있어, 전력망 혁신부터 MRI 장비, 양자 컴퓨터까지 광범위한 응용이 가능하다. 현대 물리학이 수십 년간 추구해온 '성배(holy grail)'는 상온(room temperature)에서 작동하는 초전도체다. 현재의 초전도체는 절대영도(−273.15°C) 근방의 극저온에서만 작동하기 때문에 실용화에 막대한 비용이 든다.

이번 연구가 중요한 이유는 바로 여기에 있다. 상온 초전도체를 개발하려면 전자 쌍(electron pair)이 어떻게 형성되고, 어떻게 행동하는지를 정확히 이해해야 한다. 그런데 지금까지 이를 직접 관측한 사례가 없었다. BCS 이론은 수학적 모델로서는 탁월했지만, 실제 양자 쌍의 거동을 완전히 설명하지는 못했다.

예프사 연구팀은 전자를 직접 촬영하는 대신, 절대영도에 가깝게 냉각된 특수 기체인 페르미 기체(Fermi gas)를 활용했다. 이 기체 속 원자들은 전자와 동일한 양자 역학적 규칙을 따르기 때문에, 초전도체 내부 전자 쌍의 행동을 원자 수준에서 모사할 수 있다. 시몬스 재단(Simons Foundation) 플래티론 연구소(Flatiron Institute)의 이론 물리학자 쉬웨이 장(Shiwei Zhang)이 이론 파트를 공동 담당했다.

이전 BCS 이론과 무엇이 달라졌나

BCS 이론은 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)가 1957년 개발한 초전도성의 미시적 설명 체계다. 세 사람은 1972년 노벨 물리학상을 공동 수상했으며, 이 이론은 이후 70년간 초전도성 연구의 표준 이론으로 자리 잡았다. BCS 이론의 핵심은 이른바 '쿠퍼 쌍(Cooper pair)'으로, 일반적으로 서로 밀어내야 할 전자들이 특정 조건 아래서 격자 진동(phonon)을 매개로 쌍을 이루며 저항 없이 이동한다는 것이다.

그러나 이번 연구는 쌍을 이룬 원자들이 서로 독립적으로 행동하지 않고, 인접한 다른 쌍의 위치에 따라 자신의 위치를 조율한다는 사실을 보여줬다. 이는 BCS 이론의 기본 가정, 즉 전자 쌍은 상호 독립적이라는 전제에 정면으로 반하는 결과다. 예프사는 논문에서 "우리 실험은 이 이론에서 질적으로 누락된 것이 있음을 보여준다"고 명시했다.

이 흐름은 언제부터? — 초전도 연구의 역사적 맥락

초전도 현상은 1911년 네덜란드 물리학자 헤이케 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은을 극저온으로 냉각하던 중 처음 발견했다. 이후 40여 년간 물리학자들은 이 현상의 원인을 설명하지 못했고, 1957년 BCS 이론의 등장으로 비로소 미시적 메커니즘이 규명됐다.

1986년에는 새로운 전환점이 찾아왔다. IBM 연구소의 요한네스 베드노르츠(Johannes Bednorz)와 카를 뮐러(Karl Müller)가 기존 이론으로는 설명되지 않는 고온 초전도체(high-temperature superconductor)를 발견한 것이다. 이 물질은 −135°C 이상에서도 초전도성을 보였는데, BCS 이론으로는 이를 설명할 수 없었다. 고온 초전도체의 메커니즘은 지금까지도 완전히 규명되지 않은 미해결 과제로 남아 있다.

2020년대 들어서는 상온 초전도체 주장이 잇따랐다. 2020년 로체스터대학교 연구팀의 발표, 2023년 한국 연구팀의 'LK-99' 논란 등이 과학계를 들썩이게 했지만, 모두 재현에 실패하거나 오류로 판명됐다. 이러한 반복된 좌절의 배경에는 전자 쌍 행동에 대한 근본적 이해의 부재가 있었다. 이번 CNRS 연구는 바로 그 이론적 공백을 실험으로 확인한 첫 사례다.

[AI 분석] 앞으로 어떻게 될까

이번 연구 결과가 즉각 상온 초전도체 개발로 이어지지는 않는다. 그러나 수십 년간 이어진 이론적 공백을 실험적으로 확인했다는 점에서, 향후 연구 방향에 중요한 영향을 미칠 가능성이 높다.

첫째, 새로운 이론적 프레임워크 개발이 가속화될 가능성이 높다. BCS 이론의 수정 또는 대체 이론 개발이 요구되며, 이론·실험 물리학자 간 협업 연구가 활발해질 것으로 보인다.

둘째, 고온 초전도체의 메커니즘 규명이 한 걸음 가까워질 가능성이 있다. 쌍 간 상호작용이 존재한다는 사실은 고온 초전도체를 설명하는 데 필요한 새로운 변수일 수 있기 때문이다.

셋째, 에너지 및 전력 인프라 분야에 장기적으로 혁명적 변화를 가져올 가능성이 있다. 전 세계 전력망에서 발생하는 에너지 손실의 약 10~15%는 전기 저항에서 비롯된다. 상온 초전도체가 실용화된다면 이 손실을 제로에 가깝게 줄일 수 있다.

넷째, 양자 컴퓨팅(quantum computing) 발전에도 간접적 영향을 미칠 가능성이 있다. 현재 대부분의 양자 컴퓨터는 초전도 회로를 기반으로 하며, 초전도 메커니즘에 대한 이해 심화는 더 안정적인 큐비트(qubit) 개발로 이어질 수 있다.

기초 과학의 발견에서 실용화까지는 수십 년의 시간이 걸리는 경우가 많다. 이번 연구는 그 긴 여정에서 중요한 이정표 하나를 세운 것으로 평가된다. BCS 이론의 '빈틈'을 처음으로 실험적으로 드러낸 이번 성과는, 물리학 교과서를 다시 써야 할 시점이 가까워지고 있음을 시사한다.