극저온에서도 전기가 통하는 새로운 풀러렌(fullerene) 기반 신소재가 개발됐다.
일본 오사카 메트로폴리탄대학(OMU)이 주도한 국제 공동 연구팀은 11일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 이터븀-세슘-풀러라이드(Yb₂CsC₆₀) 합성 성공과 그 특성에 대한 연구 결과를 발표했다.
일반적으로 강한 전자 상호작용을 보이는 물질은 온도를 낮추면 전자가 움직이지 못하는 절연체 상태로 변한다. 이를 '모트 금속-절연체 전이' 현상이라고 부른다.
하지만 이번에 개발된 신소재는 강한 전자 상호작용에도 불구하고 극저온까지 금속성을 유지하며 전기를 전도하는 특성을 보였다.
연구팀은 이 현상의 원인으로 '훈트 결합'(Hund's coupling) 효과를 지목했다. 새로 합성된 물질은 전자가 거의 다 채워진 상태에서 전자 하나가 빠진 '정공'(hole) 구조를 갖는다.
이 경우 훈트 결합이 오히려 전자의 이동성을 높여 금속 상태를 유지하도록 돕는다는 사실을 규명했다.
이러한 현상은 전이금속 화합물에서는 잘 알려져 있었지만, 풀러렌과 같은 분자성 물질에서는 거의 연구된 바 없었다.
연구팀은 이번 연구를 통해 풀러렌 기반 p-궤도 전자 시스템이 전이금속의 d-궤도 시스템과 유사한 전자 거동을 보인다는 점을 처음으로 입증했다.
연구팀은 이번 성과가 미래 전자공학, 에너지 시스템, 양자 기술 발전에 기여할 것으로 기대하고 있다. 데니스 아르콘 슬로베니아 요제프 스테판 연구소(IJS) 교수는 "관련 분자 시스템에서 비전형적 초전도성을 발견하는 경로를 열 수도 있다"고 덧붙였다.