[LK-99 다시 읽기 2편] 그리핀 박사가 본 것 – 평탄 밴드의 의미와 이론적 가능성

LK-99의 전자구조를 DFT 계산으로 분석한 그리핀 박사의 연구를 통해 flat band와 모트 절연체 가능성을 살펴봅니다. 초전도성 가능성과 이론적 한계를 함께 해설합니다.

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2023년, LK-99는 상온-상압 초전도체 후보로 떠오르며 전 세계 과학계와 대중의 관심을 한몸에 받았다. 하지만 그 열기만큼이나 많은 의문과 논란이 뒤따랐고 논문이 공개된 이후 다양한 각도에서 이 물질을 해석하려는 시도들이 이어졌다. 그 가운데 Lawrence Berkeley National Lab의 Sinéad Griffin 박사는 DFT(밀도 범함수 이론) 계산을 통해 LK-99의 전자구조를 분석했고 그 결과 flat band와 모트 절연체 가능성이라는 흥미로운 이론적 단서를 제시했다. 이 글에서는 그리핀 박사의 연구를 중심으로 flat band 구조가 무엇인지 그것이 초전도성과 어떤 관련이 있는지 그리고 LK-99가 실제로 초전도체가 될 수 있을 가능성과 한계를 함께 살펴본다.

초전도체 연구의 흐름과 발전 과정을 알고 싶다면 [초전도체의 역사: 발견에서 미래까지] 글도 참고해볼 만하다.

 

 

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1. Sinéad Griffin 박사와 LBNL: LK-99 전자구조 분석의 출발점

LK-99 논문이 공개된 이후 전 세계 과학자들은 다양한 각도에서 이 물질을 분석하기 시작했다. 그중에서도 Lawrence Berkeley National Lab (LBNL)의 Sinéad Griffin 박사는 특히 주목할 만한 연구를 발표했다.

 

그리핀 박사는 양자 재료(quantum materials)의 전자구조를 계산하는 전문가로 DFT(밀도 범함수 이론, Density Functional Theory)를 이용해 물질의 특성을 예측하는 연구를 수행해왔다. LBNL은 미국 에너지부 산하 연구소로 양자 재료, 고에너지 물리, 재료 과학 등 다양한 분야의 최첨단 연구가 이루어지는 곳이다.

 

LK-99가 페로브스카이트 구조를 기반으로 하고 있다는 점은 그리핀 박사의 관심을 끌기에 충분했다. 페로브스카이트는 결정 구조가 비교적 유연해 다양한 원소 도핑이 가능하고 그 결과 광전효과, 촉매 반응, 심지어 초전도성과 같은 특성이 나타날 수 있다. 특히 구리(Cu) 도핑이라는 요소는 기존 페로브스카이트 초전도체 연구와도 연결되며 전자구조에 어떤 변화가 일어날지 이론적으로 예측해볼 만한 가치가 있었다. 

 

👉 도핑이 전자구조에 미치는 영향에 대한 보다 자세한 설명은 [란타넘-바륨-구리산화물, 초전도 비밀의 열쇠? 바륨 도핑의 숨겨진 역할!] 글을 참고하세요.

 

LK-99 논문이 발표된 직후 그리핀 박사는 도핑된 페로브스카이트 구조의 전자구조를 DFT 계산을 통해 분석했다. 이 연구에서 flat band 형성 가능성이 제시되면서 LK-99를 둘러싼 초전도체 가능성에 대한 관심이 급격히 확산되었다.

 

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2. DFT(밀도 범함수 이론)란 무엇인가: LK-99 전자구조를 들여다본 방법

LK-99의 전자구조를 분석하기 위해 그리핀 박사는 DFT(밀도 범함수 이론, Density Functional Theory)라는 계산 방법을 사용했다. 이는 전자의 밀도 분포만을 이용해 물질의 전자 상태와 밴드 구조를 예측할 수 있는 이론적 도구로 실험 없이도 다양한 물질의 성질을 컴퓨터로 분석할 수 있다.

 

그리핀 박사의 계산은 상온·상압 조건을 가정한 상태에서 LK-99의 전자구조를 분석한 것이다. 이는 실제 환경에서 초전도성을 발현할 수 있는지 이론적으로 접근하기 위한 기본 설정이었다.

 

📌 DFT(밀도 범함수 이론)
전자의 밀도 분포만으로 물질의 전자구조를 계산하는 효율적인 양자역학적 방법. 복잡한 시스템을 빠르게 계산할 수 있지만 강한 전자-전자 상호작용이 필요한 현상(예: 초전도성) 예측에는 한계가 있다.

 

• DFT의 원리와 역사 참고 자료:
  • Density Functional Theory: A Particle Introduction by David S. Sholl, Janice A. Steckel. ISBN: 978-0-470-44771-0, Aug 2009, 256 pages
  • A Practical Introduction to Density Functional Theory by Louk Rademaker, arXiv:2011.09888.

 

하지만 DFT는 상호작용이 약한 시스템에 적합하다. 초전도성처럼 전자들이 서로 강하게 상호작용하는 경우에는 DFT로 그 자체를 예측하기 어렵다. 그리핀 박사는 이 점을 명확히 인지하고 초전도성 예측이 아닌 전자구조의 가능성 탐색을 목적으로 DFT를 사용했다.

 

2.1 단계적 접근: 초전도성을 직접 예측하지 않고 기반 구조를 탐색

그리핀 박사의 접근 방식은 단계적 탐색이었다. 즉 LK-99가 초전도성을 가질 수 있는 전자구조적 특징(flat band)을 지니고 있는지를 먼저 계산으로 확인하고 초전도성 가능성은 그 다음 문제로 넘긴 것이다.

 

이 과정을 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 활용했다.

 

• LK-99의 결정 구조를 먼저 컴퓨터 상에 모델링하고,
• 구리(Cu) 도핑을 포함한 구조를 에너지적으로 안정된 상태로 Relaxation했다. (Relaxation이란 원자들이 서로 가장 안정된 위치를 찾아가는 계산 과정이다.)
• 이렇게 안정화된 구조를 바탕으로 전자 밴드 구조와 밀도 상태(DOS)를 계산했다.

 

이 모든 과정은 VASP나 Quantum ESPRESSO 같은 양자 재료 시뮬레이션 프로그램을 통해 이루어지며 슈퍼컴퓨터나 고성능 서버에서 수행된다. 이러한 접근 방식은 LK-99 전자구조 DFT 계산의 대표적인 예로 flat band 형성 가능성을 이론적으로 검토하는 데 활용되었다.

 

VASP(Vienna Ab initio Simulation Packag)는 상업용 소프트웨어로 높은 정확도와 효율성으로 잘 알려져 있으며 전자구조 계산과 원자 구조 최적화에 널리 사용된다. 반면, Quantum ESPRESSO는 오픈소스로 개발된 프로그램으로 유연한 설정과 광범위한 기능을 제공하여 다양한 연구 환경에서 활용된다.

 

2.2 전자 밴드 구조 계산: flat band 탐색

이렇게 계산된 전자 밴드 구조는 전자들이 어떤 에너지 준위에 분포해 있는지 그리고 그 중에서도 페르미 준위(Fermi level) 근처에 특별한 구조(flat band)가 존재하는지를 보여준다.

 

페르미 준위는 물질 내에서 전자들의 움직임과 상호작용이 가장 활발하게 일어나는 에너지 구간으로 이 근처의 밴드 구조가 어떻게 생겼는지는 물질의 전기적 성질과 상전이 가능성을 결정짓는 중요한 열쇠가 된다.

 

예를 들어, 페르미 준위 주변에 자유롭게 이동할 수 있는 전자 상태가 많으면 금속이 되고 상태가 비어 있거나 전자-전자 상호작용이 너무 강해 이동이 억제되면 절연체나 모트 절연체가 될 수 있다. 또, 특정 조건에서 페르미 준위 근처의 전자들이 서로 결합해 저항 없이 흐를 수 있는 상태가 되면 초전도체가 될 수도 있다.

 

그리핀 박사의 DFT 계산에서는 바로 이 페르미 준위 근처에 flat band가 존재할 가능성이 포착되었다. Flat band란 전자 밴드 구조에서 특정 에너지 구간이 거의 수평으로 펼쳐져 전자들이 움직임을 거의 멈춘 상태를 의미한다. 이렇게 전자들의 움직임이 제한되면 전자 밀도가 높아지고 이로 인해 전자-전자 상호작용이 증폭될 수 있다. 이러한 구조는 초전도성, 강자성, 스핀 유리 상태와 같은 다양한 상전이 현상을 유발할 수 있는 환경을 제공한다.

 

특히, 그리핀 박사는 LK-99 구조 내에서 Cu-3d 궤도와 Pb-2p 궤도가 상호작용하여 flat band를 형성하는 모습을 확인했다. 그리고 이 flat band가 페르미 준위 근처에 위치할 경우 전자-전자 상호작용이 더욱 강해질 수 있는 이론적 단서가 될 수 있다고 해석했다. 이 계산은 상온·상압 환경을 반영한 결정 구조를 바탕으로 수행되었으며 우리가 일상적으로 접하는 조건에서도 flat band 형성 가능성을 탐색한 것이다.

 

📌 페르미 준위(Fermi level)란?

 

페르미 준위는 전자들이 어떤 에너지 상태까지 채워져 있는지를 보여주는 기준점이다. 전자는 아무 에너지나 가질 수 있는 게 아니라 정해진 층층의 에너지 준위에만 머물 수 있고 이걸 계단이나 극장 좌석으로 비유할 수 있다.

 

• 에너지 준위 = 극장 좌석
• 전자 = 관객

 

절대온도 0K(−273.15℃)에서는 전자들이 가장 낮은 에너지 준위부터 차곡차곡 채워진 상태가 되고 극장이라면 맨 앞줄부터 순서대로 앉은 모습이다.

 

• 맨 마지막으로 앉은 줄 → 페르미 준위!

 

온도가 올라가면 몇몇 전자(관객)는 위쪽 빈 좌석(더 높은 에너지 준위)으로 잠깐 튈 수 있지만 대부분은 여전히 페르미 준위 근처에 머무른다. 그래서 페르미 준위 근처의 밴드 구조가 물질의 전기적 성질이나 상전이 현상(초전도성, 절연성 등)을 좌우하는 중요한 열쇠가 되는 것이다. 페르미 준위는 "물질이 금속인지, 절연체인지 또는 초전도체가 될 수 있는지"를 결정하는 핵심 기준이라고 볼 수 있다.

 

3. Flat Band(평탄 밴드)의 의미와 LK-99 전자구조에서의 역할

Flat band(평탄 밴드)는 전자 밴드 구조에서 특정 에너지 구간이 거의 수평으로 이어지는 형태를 말한다. 이는 전자들의 속도가 거의 0에 가까워져 한 자리에 머무는 상태를 만든다. 그 결과 전자 밀도가 높아지고 전자-전자 상호작용이 증폭될 수 있는 구조적 기반이 된다.

 

이러한 flat band는 초전도성, 강자성, 스핀 유리 상태와 같은 다양한 상전이 현상이 발생할 수 있는 전자 구조적 환경을 제공한다. 최근 주목받은 사례로는 twisted bilayer graphene(꼬인 이중층 그래핀)이 있다.

 

• 1.1도 각도로 회전시킨 두 겹의 그래핀에서 flat band가 형성되며 전자 상호작용이 극대화된 사례다.

 

이러한 사례는 flat band가 집단적인 양자 현상의 기반이 될 수 있다는 가능성을 열어준다. 이 flat band가 어떻게 초전도성과 연결되는지는 뒤에서 더 자세히 다룬다.

 

Flat band와 다양한 상전이 현상에 대한 참고 문헌: Flat bands, sharp physics, by Daniel Leykam, Jan 2024, AAPPS Bulletin 34(1).

 

3.1 LK-99에서 발견된 평탄 밴드: Cu-3d와 Pb-2p 궤도의 결합

그리핀 박사의 DFT 계산에서도 LK-99의 Pb 아파사이트 구조에 Cu를 도핑하면 flat band가 나타남을 확인했다. 그런데 왜 Cu-3d 궤도와 Pb-2p 궤도가 언급될까?

 

• 전자 밴드 구조는 각각의 원소가 가진 전자 궤도가 결정 구조 안에서 서로 상호작용하며 형성된다.
• 구리(Cu)의 3d 궤도는 전자 상호작용이 강한 영역을 제공하고,
• 납(Pb)의 2p 궤도는 상대적으로 에너지가 낮은 상태를 형성한다.
• 이 두 궤도가 결합하면 전자들이 특정 에너지 준위에서 서로 간섭하거나 정체될 수 있는 구조가 만들어지고, 이로 인해 flat band가 형성될 수 있다.

 

즉, Cu 도핑이 Pb-2p 궤도와 상호작용해 전자들의 움직임을 제한하는 평탄한 영역을 만들어낸다는 의미다.

 

3.2 구리 도핑 비율: 얼마나 도핑했을까?

그리핀 박사의 논문에 따르면

 

• 약 12.5%의 Cu 도핑 (Pb 자리 중 1/8을 Cu로 교체)한 경우 flat band 형성이 가장 뚜렷하게 나타났다.
• 이 정도 도핑은 전자구조의 변화를 관찰하기에 충분한 수준이었고 너무 많은 도핑은 구조 불안정성을 초래할 수 있기 때문에 이론적으로 안정적인 도핑 비율로 평가되었다.

 

이처럼 flat band는 전자 상호작용을 증폭시킬 수 있는 기반이 된다. 그렇다면, 이런 구조적 특성이 실제로 어떤 물리적 상태를 유발할 수 있을까? 그리핀 박사는 이를 모트 절연체 상태로 해석하고 초전도성 가능성까지 이론적으로 확장해 논의했다.

 

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4. 그리핀 박사의 시선으로 본 LK-99: 이론적 발견과 과학적 신중함

LK-99의 전자구조에서 flat band(평탄 밴드)가 나타날 가능성은 이 물질을 둘러싼 해석의 폭을 넓혀주었다. Sinéad Griffin 박사는 DFT(밀도 범함수 이론) 계산을 통해 LK-99 내 구리(Cu) 도핑 구조에서 전자 이동이 억제되는 상태가 형성될 수 있음을 보여주었고 이 결과는 모트 절연체(Mott insulator) 가능성과 맞닿아 있다.

 

4.1 모트 절연체: 초전도성으로 이어질 수 있는 한 가지 가능성

모트 절연체란 전자들이 이동할 수 있는 공간은 충분하지만 상호작용이 지나치게 강해 서로 움직임을 억제하는 특이한 상태이다. 이와 같은 상태는 특히 flat band 구조처럼 전자 밀도가 높고 상호작용이 증폭되는 환경에서 나타날 가능성이 있다.

 

그리핀 박사의 계산 결과는 LK-99가 이런 환경을 가질 수 있다는 단서를 제공했으며 이러한 상태는 경우에 따라 도핑이나 압력 조정을 통해 초전도성으로 전이될 수 있는 기반이 되기도 한다.

 

모트 절연체에서 초전도성으로 이어지는 흐름 (대표 사례들)

 

• 구리 산화물 초전도체(Cuprates): 원래는 모트 절연체 → 도핑 → 고온 초전도성 발현
• 트위스트 그래핀: 비틀어진 구조 → 모트 절연체 → 전자 밀도 조정 → 초전도성 전이
• 니켈 산화물(Nickelates): 모트 절연체 → 도핑 → 초전도성 (2019년 발표)

 

이런 사례들은 LK-99의 이론적 가능성을 바라보는 하나의 참고가 된다. 그렇지만 LK-99가 실제로 그러한 흐름을 따를지 여부는 여전히 더 많은 연구가 필요하다.

 

4.2 가능성을 열어두는 과학자의 태도: 뉴욕 매거진 인터뷰에서

LK-99를 둘러싼 연구가 커다란 주목을 받으면서 그리핀 박사는 미디어 인터뷰에서 자신의 연구를 어떻게 바라보는지를 설명했다.

 

그녀는 다음과 같이 말했다:

 

• "나는 LK-99가 초전도체라고 주장하지 않았다."
• "내 계산은 단지 이론적 가능성을 보여준 것이다."

 

이러한 발언은 과학적 신중함을 보여주는 대목으로 그녀의 계산이 흥미로운 전자구조적 단서(flat band, 모트 절연체 가능성)를 제시했을 뿐 그것이 곧바로 초전도성을 의미하는 것은 아님을 분명히 한다.

 

이 내용은 뉴욕 매거진 인터뷰 전문에서 직접 확인할 수 있다.

 

 

4.3 이론과 실험 사이: 과학의 속도

인터넷과 미디어가 때때로 "상온 초전도체 발견!"이라는 과감한 헤드라인을 내세우는 것과 달리 과학의 과정은 언제나 이론적 가능성 → 실험적 검증 → 재현성 확보라는 흐름을 따른다.

 

그리핀 박사의 인터뷰는 이 점을 조용히 일깨운다. LK-99가 초전도체일 수 있다는 가능성은 이론적으로 열어둘 수 있는 영역이지만 그 가능성을 증명하는 일은 언제나 실험과 재현성을 필요로 한다.

 

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5. Flat band 초전도성: BCS 이론과 다른 길

앞서 살펴본 flat band 구조는 전자들의 에너지가 거의 일정한 상태에서 움직임이 제한되기 때문에 전자-전자 상호작용이 증폭될 수 있는 환경을 만든다. 그렇다면 이러한 상호작용의 증폭이 실제로 초전도성과 같은 집단적 양자 현상으로 이어질 수 있을까? 이 섹션에서는 flat band와 초전도성이 어떻게 연결될 수 있는지를 살펴본다.

 

5.1 왜 flat band에서 전자 상호작용이 강해지는가?

일반적인 금속에서는 전자들이 자유롭게 움직이며 에너지를 분산시킨다. 이렇게 움직이는 전자들은 서로 충분한 거리를 유지하며 상호작용이 크지 않다. 그러나 flat band에서는 전자들이 특정 에너지 준위에 정체되어 움직이지 못하는 상태가 된다. 이로 인해 전자들은 한 공간에 밀집하게 되고 서로 밀고 당기며 상호작용이 자연스럽게 증폭된다. 이러한 구조는 초전도성, 강자성과 같은 상전이 현상이 일어날 수 있는 기반을 제공한다.

 

5.2 BCS 이론과 flat band 초전도성은 어떻게 다를까?

초전도성에 대한 전통적인 설명은 BCS 이론을 따른다. BCS 이론에서는 전자 두 개가 격자 진동(phonon)을 매개로 약하게 결합하여 쿠퍼쌍을 형성하고 이 쿠퍼쌍들이 저항 없이 흐르는 상태가 초전도성이다. 여기서 중요한 점은 약한 상호작용과 격자 진동이 초전도성의 주요 원인이라는 것이다.

 

BCS 이론에 대한 보다 자세한 설명은 [초전도체의 원리 완전 해부: 쿠퍼쌍과 BCS 이론 쉽게 이해하기] 글에서 확인할 수 있다.

 

반면, flat band 초전도성은 격자 진동 없이도 전자들끼리의 강한 전자-전자 상호작용만으로 쿠퍼쌍을 형성할 수 있다. 이 경우 상호작용 자체가 충분히 강해지면 격자 진동 없이도 초전도성이 발현될 수 있다는 점에서 BCS 이론과 차별화된다. 다시 말해 BCS 이론은 약한 상호작용과 격자 진동을 필요로 하지만 flat band 초전도성은 강한 전자-전자 상호작용만으로 가능성을 가진다.

 

5.3 twisted bilayer graphene: 평탄 밴드 초전도성의 대표 사례

이러한 flat band 초전도성 메커니즘이 실제로 구현된 대표적인 사례가 바로 twisted bilayer graphene(꼬인 이중층 그래핀)이다. 두 겹의 그래핀을 1.1도로 비틀면 두 층의 격자가 미묘하게 어긋나면서 flat band가 형성된다. 이 구조에서는 전자-전자 상호작용이 극대화되어 격자 진동 없이도 초전도성이 발현된다. 2018년 MIT 연구팀이 발표한 이 발견은 flat band 초전도성 메커니즘을 실험적으로 입증한 대표적인 예로 꼽힌다.

🔗 Twisted bilayer graphene 초전도성 연구 (Nature, 2018)

 

5.4 그렇다면 LK-99의 flat band는?

LK-99에서도 Cu-3d와 Pb-2p 궤도가 결합해 flat band가 형성된다. 이론적으로 전자 상호작용이 증폭될 수 있는 구조를 가지고 있지만 이러한 상호작용의 강도가 twisted bilayer graphene처럼 초전도성을 유발할 만큼 충분한지는 아직 확실하지 않다.

 

특히, 그리핀 박사의 DFT 계산에서는 LK-99를 3차원 벌크 형태의 안정화된 결정 구조로 가정하고 전자구조를 시뮬레이션했다. 이러한 계산 모델에서는 격자 변형이나 전자 상호작용 조정이 상대적으로 어렵고 2차원 구조처럼 유연한 조정이 가능한 graphene과는 달리 전자-전자 상호작용을 극대화하기에 제한적인 환경일 수 있다.

 

하지만, LK-99 내부에 1차원적인 전도 경로(전도성 사슬)가 존재할 가능성을 다룬 연구들도 있다. 예를 들어, Kun Tao 연구팀은 LK-99의 결정 구조 내 산소 사슬이 1차원 전도 채널을 형성하며 ultra-flat band를 만들어낼 수 있음을 DFT+U 계산으로 보여주었다.
→ DOI: 10.1063/5.0188943

 

이와 유사하게 Qin He 연구팀은 산소 사슬에서 발생하는 quasi-1D flat band 구조가 전자 상태 밀도를 증가시킬 수 있음을 이론적으로 제시했다. 이는 LK-99가 단순히 3차원 벌크 구조에 국한되지 않고 1차원적인 전도 특성을 가질 수 있는 잠재성을 보여준다.
→ DOI: 10.1088/1367-2630/ad6c78

 

이러한 가능성은 이석배 박사팀의 논몬과 아나와 교수팀의 논문에서도 제기되었다. 그들은 Cu와 인산염(PO₄) 사슬을 따라 형성되는 전도성 사슬이 전자 상호작용을 특정 방향으로 집중시키며 새로운 초전도 메커니즘을 제공할 수 있다고 분석했다. 따라서 LK-99의 전자 상호작용 환경은 3차원 벌크 구조에만 국한되지 않고 1차원적인 특성을 고려한 추가 연구가 필요하다고 할 수 있다.

→ DOI: 10.48550/arXiv.2307.12037

→ DOI:10.1088/1361-6668/acf002

 

 

이처럼 LK-99의 전도 경로와 초전도 가능성에 대한 해석은 연구마다 다르게 제시되고 있으며 Prashant K. Jain의 리뷰에서는 이러한 다양한 접근법—1D 전도 경로 가능성부터 불순물 기원 논란까지—를 종합적으로 다루고 있다.
→ DOI: 10.1016/j.matt.2023.11.010

 

결국 LK-99의 flat band 메커니즘이 실제로 초전도성을 발현할 수 있을지는 여전히 추가적인 연구와 실험적 검증이 요구된다. Flat band가 존재한다고 해서 자동으로 초전도성이 나타나는 것은 아니며 전자 상호작용의 강도와 전자 상태의 미세한 조정(doping, 압력 등)이 초전도성 발현 여부를 결정짓는 핵심 변수로 작용한다.

 

이러한 1차원적 전도 경로 가능성은 LK-99 전자구조 해석에 새로운 시각을 제공하지만, 여전히 flat band의 형성과 그 전자 상호작용의 강도가 초전도성을 유발할 수 있을지에 대한 논의는 계속되고 있다.

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6. LK-99 를 둘러싼 flat band 논쟁: 초전도성 가능성을 다시 보다

앞서 살펴본 1차원 전도 경로 가능성과 별개로 LK-99의 초전도성 논쟁은 여전히 flat band 형성 여부와 그 역할을 중심으로 이어지고 있다. LK-99가 실제로 초전도체인지에 대해서는 아직 불확실하지만 그리핀 박사의 연구는 이 물질이 흥미로운 전자구조를 지니고 있으며 특히 flat band와 모트 절연체 가능성을 갖고 있을 수 있음을 이론적으로 제시했다.

 

이는 기존의 물질에서는 쉽게 발견되지 않는 전자적 특성을 탐색하고 새로운 상전이 현상을 이해하는 데 중요한 시사점을 제공한다.특히 LK-99 Cu 도핑 전자구조에서 나타나는 flat band 형성 가능성은 과학계의 관심을 끌기에 충분했다.

 

이론은 언제나 가능성을 열어준다. 하지만 그 가능성을 현실로 증명하는 일은 실험의 몫이다. Flat band는 전자-전자 상호작용을 증폭시킬 수 있는 구조적 조건을 제공하며 실제로 twisted bilayer graphene과 같은 사례에서는 이러한 구조가 초전도성을 유발한 바 있다. 그러나 LK-99의 경우 그 구조가 안정적으로 구현될 수 있는지와 그 안에서 flat band가 충분히 강한 상호작용을 제공할 수 있는지는 여전히 실험적 검증이 필요한 부분이다.

 

그리핀 박사의 후속 연구에서는 이러한 구현의 어려움이 더 분명히 제기되었다. 그는 두 번째 논문을 통해 LK-99 결정 구조 내에서 Cu 도핑이 안정적으로 유지될 수 있는지 그리고 그 상태에서 flat band가 실제로 형성될 수 있는지에 대해 구조적 안정성 문제를 지적했다. (논문 보기 arXiv:2312.14236) 이 논문에서 그는 이론적으로 제시된 전자구조가 흥미롭기는 하지만 실제 합성된 LK-99에서 그러한 구조가 안정적으로 유지될 가능성은 낮을 수 있다고 평가했다.

 

그렇다고 해서 LK-99의 전자구조 가능성, 특히 flat band가 초전도성을 유발할 수 있다는 이론적 가능성이 부정된 것은 아니다. 오히려 이는 새로운 재료 설계와 이론적 탐색의 필요성을 강조하는 출발점이 된다. LK-99를 둘러싼 논란과 탐색 과정은 단순히 한 가지 물질의 초전도 여부를 넘어서 전자구조와 상전이 현상에 대한 이해를 더욱 깊게 만들고 있다. 

 

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📌 핵심 요약

• LK-99는 상온-상압 초전도체 후보로 주목받았지만 초전도성 여부에 대한 실험적 재현성과 이를 판단하는 기준은 여전히 복잡한 논의의 대상이다.
• 그리핀 박사는 DFT 계산을 통해 LK-99 전자구조를 분석했고 flat band와 모트 절연체 가능성을 제시했다.
• Flat band는 전자 상호작용을 증폭시켜 초전도성과 같은 상전이 현상을 유발할 수 있는 구조적 기반이 된다.
• LK-99에서는 Cu-3d와 Pb-2p 궤도가 결합해 flat band가 형성될 가능성이 있으며 모트 절연체 상태를 가질 수 있다.
• 모트 절연체는 추가 도핑이나 압력 변화를 통해 초전도성으로 전이할 가능성을 가진다.
• Twisted bilayer graphene에서는 flat band 초전도성 메커니즘이 실제로 구현된 사례가 있다.
• LK-99의 경우 flat band가 존재하더라도 전자 상호작용 강도가 충분한지는 불확실하며 실험적 검증이 필요하다.
• 그리핀 박사의 후속 논문에서는 LK-99 구조적 구현의 어려움을 지적했지만 전자구조상의 가능성은 여전히 열려 있다.

 

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❓ FAQ

Q1. LK-99는 초전도체인가요?

A. LK-99는 초전도체 후보로 관심을 받았지만 아직 초전도성이 확인된 바는 없다. 여러 실험에서 초전도성 징후를 명확히 보여주는 결과는 관찰되지 않았으며 현재로서는 이론적 전자구조 가능성만이 일부 제시된 상태다.

 

Q2. DFT 계산이란 무엇이며, LK-99에서 어떤 역할을 하나요?

A. DFT(밀도 범함수 이론)는 전자 밀도 분포를 바탕으로 물질의 전자구조를 계산하는 방법이다. LK-99 전자구조 DFT 계산에서는 flat band 형성 가능성과 모트 절연체 상태를 이론적으로 예측하는 데 사용되었다.

 

Q3. flat band는 초전도성과 어떤 관련이 있나요?

A. Flat band는 전자들이 특정 에너지 구간에 정체되어 상호작용이 극대화될 수 있는 구조다. 이로 인해 초전도성, 강자성과 같은 상전이 현상이 발생할 수 있다. 특히 twisted bilayer graphene에서는 flat band로 인해 초전도성이 발현된 사례가 있다.

 

Q4. 모트 절연체란 무엇이며 왜 초전도성과 연결되나요?

A. 모트 절연체는 전자들이 이동할 수 있는 상태임에도 상호작용이 너무 강해 이동하지 못하는 절연체다. 이러한 상태에서 전자 밀도 조절(도핑)이나 압력 변화를 주면 전자 상호작용이 조정되어 초전도성으로 전이할 수 있다.

 

Q5. twisted bilayer graphene 초전도성은 어떤 메커니즘인가요?

A. Twisted bilayer graphene은 1.1도 각도로 비틀어진 두 겹의 그래핀 사이에 flat band가 형성되면서 전자-전자 상호작용이 극대화되고 격자 진동 없이도 초전도성이 발현된 사례다. 이는 flat band 초전도성 메커니즘을 실험적으로 입증한 대표적인 연구다.