케임브리지 대학(University of Cambridge), 히브리 대학(Hebrew University of Jerusalem), 노르웨이 과학기술대학(Norwegian University of Science and Technology)의 연구진은 그래핀이 초전도성을 가질 수 있다는 것을 발견했다. 이것은 그래핀이 제로 저항으로 전류를 흐르게 할 수 있다는 것을 의미한다.

이 연구결과는 그래핀의 잠재력을 추가적으로 알 수 있는 계기를 마련했고, 의료 및 전자 제품에 새로운 혁신을 불러오는 물질로서 그래핀이 널리 적용될 수 있게 할 것이다. 그래핀은 탄소 원자의 2차원 시트이고, 매우 강하고 가볍고 유연하며 높은 전도성을 가지고 있다.

2004년에 발견된 이후로, 그래핀은 초전도성을 가진 것으로 추정되었다. 하지만, 지금까지 그래핀 속의 초전도성은 다른 원소를 도핑함으로써 달성되었다. 이런 도핑 공정은 다른 특성들을 손상시키는 역할을 했다.

이번 연구진은 그래핀과 프라세오디뮴 세륨 구리 산화물(praseodymium cerium copper oxide, PCCO)라고 불리는 물질을 결합함으로써 초전도성을 확인했다.

초전도체는 이미 많은 분야에 사용되고 있다. 거대한 자기장이 필요한 MRI 스캐너와 부상 열차에 필수적인 요소이다. 초전도성 그래핀은 많은 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀은 고속 컴퓨팅을 위한 새로운 종류의 초전도성 양자 장치를 만드는데 사용될 수 있다.

초전도체 내에서 전자들은 쌍을 형성하고, 이런 전자쌍 간의 스핀 정렬은 초전도성의 유형에 따라서 서로 달라질 수 있다. PCCO의 경우에, 전자쌍의 스핀은 비정렬 상태이고, 이것은 “d-파 상태(d-wave state)” 라고 부른다.

이와는 대조적으로, 그래핀을 초전도성 PCCO와 결합시키면, 그래핀 속의 전자쌍들은 p-파 상태가 된다. 다시 말하면, PCCO의 초전도성과는 매우 다른 유형이 생성된다. 이것은 초전도성이 외부에서 발생하는 것이 아니라는 것을 의미하기 때문에 중요하다.

이런 유형의 초전도성이 활성화되는 원인은 아직 명확하지 않지만, 이것이 p-파로 인해서 발생한 것으로 추정된다.

p-파 초전도성이 그래핀 속에서 실제로 생성된다면, 그래핀은 초전도 장치를 개발하기 위한 새로운 길을 열어 줄 수 있을 것이다. 이런 연구들은 p-파 초전도성에 대한 더 나은 이해를 이끌고, 다른 장치 및 환경에서 초전도성이 어떻게 발현되는지에 대한 새로운 고찰을 할 수 있게 한다.

이 연구는 많은 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이것은 초전도성 회로를 가진 트랜지스터와 같은 장치를 만드는데 사용될 수 있고, 분자 전자장치 속에 초전도체를 결합시킬 수 있을 것이다. 그래핀 표면에 다양한 화학 분자들을 결합시키면, 새로운 기능성을 가진 초전도성 그래핀 장치를 만들 수 있을 것이다.

이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “P-wave triggered superconductivity in single layer graphene on an electron-doped oxide superconductor” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/NCOMMS14024).