고온 초전도체 메커니즘 실타래 풀었다 쿠퍼쌍 원자단위 관측 성공, 새 지평 초전도체는 외부 온도가 임계온도 이하로 내려가면 전자가 아닌 두 개의 전자가 짝을 지어 형성되는 전자쌍(쿠퍼쌍)에 의해 전류가 흘러 갑자기 저항이 0으로 떨어지는 특이한 성질을 보이는 물체이다. 초전도는 양자 역학적 현상으로, 가령 초전도 전선으로 된 고리에 전류를 흘릴 경우 전원 공급 없이도 무한히 계속 흐를 수 있다. 1911년 초전도 현상이 발견되고, 1957년 세 명의 연구자들이 자신들의 이름을 딴 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론으로 초전도 현상의 원리를 규명했다. 하지만 1 또는 2종의 원자로 이루어진, 30K(-243℃)이하의 임계온도를 갖는 초전도체만이 이를 충족시켰다.1986년 Bednorz와 Muller가 30K(-243℃) 이상에서 초전도성을 갖는 구리화합물(La2-xBaxCuO4)을 발견하면서 고온 초전도 연구가 활기를 띠어 이후 임계온도가 130K(-143℃)까지 높아진 상태지만, 이 역시 실제 산업에 활용하기는 매우 낮은 온도다. 고온 초전도체의 임계온도를 올리기 위해서는 메커니즘의 이해가 필수적이지만, 수많은 과학자들의 노력에도 밝혀지지 않아, 고온 초전도체 연구는 사실상 답보 상태였다.미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 강상관계 물질 연구단(단장 노태원, 서울대 물리천문학부)의 이진호 서울대학교 물리천문학부 교수 연구진과 미 코넬대학교 연구진(J.C. Seamus Davis)이 고온 초전도체의 핵심적 작동원리로 알려진 ‘쿠퍼쌍1) (Cooper-Pair) 밀도파’를 원자단위로 관측하는데 성공했다고 밝혔다.초전도체는 전력 손실이 발생하지 않기때문에 전류가 영원히 흐르게 되며, 매우 강한 자기장을 얻을 수 있기 때문에 자기부상열차나 무손실 송전설비 등을 구현할 수 있는 꿈의 물질로 불린다.보다 높은 임계온도에서 초전도현상을 보이는 물질이 ‘고온 초전도체’이다. 일반적인 초전도체보다 높은 임계온도에서 저항이 0이 되지만, 산업적으로 활용할 수 있는 수준인 ‘상온 초전도체’에 이르지는 못한다. 현재까지 최고 임계온도는 130K(-143℃) 수준이다.그간 과학자들은 실제 산업에 활용될 만큼 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 발견하기 위해, 고온 초전도체의 원리 규명에 노력해왔으나, 일반적인 저온 초전도체와 달리 복잡한 원자구조로 결합해있기 때문에, 메커니즘 규명이 어려웠다.쿠퍼쌍이 균일하게 분포하는 일반적인 저온 초전도체와는 달리, 고온 초전도체는 쿠퍼쌍들이 불균일하게 분포하는 ‘쿠퍼쌍 밀도파(Cooper-Pair Density wave)’를 가지고 있으며, 이것이 고온 초전도 현상을 밝힐 핵심적인 역할을 할 것으로 예측돼 왔다.IBS 강상관계 물질 연구단 연구진은 나노미터보다 정밀한 수준으로 대상 물질의 원자구조까지 관찰할 수 있는 주사터널링현미경 (Scanning Tunneling Microscopy, 이하 STM)과 조셉슨 효과3)를 이용, 고온 초전도체 내 쿠퍼쌍의 공간 분포를 원자 해상도로, 처음으로 측정하는 성과를 거뒀다.기존의 초전도체 실험들이 깨진 쿠퍼쌍 전자를 측정하는 간접적인 방식으로 이뤄진 것과 달리, 이번 연구는 고온 초전도체를 수 nm 이내로 접근시켜 두 초전도체 간 쿠퍼쌍이 깨지지 않고 전류가 흐르는 현상(조셉슨효과)을 구현했다.파동을 갖는 전자들을 원자에 쏘면 일부는 반사되고, 일부는 원자를 뚫고 지나가는 양자 터널링 효과를 이용하는 STM을 활용해, 구리화합물 고온 초전도체(Bi2Sr2CaCu2O8+x4)) 내부 쿠퍼쌍의 흐름을 직접 관측하는 데 성공했다.이를 위해 STM 측정 탐침 끝에 미세한 고온 초전도체 조각을 부착, 측정대상에 나노미터 수준으로 근접시켰다.이번 연구를 주도한 이진호 연구위원은 “쿠퍼쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법을 개발해 고온 초전도 현상 연구에 돌파구를 제시한 것”이라며 “고온 초전도 현상에 대한 이해를 심화한다면 더 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 찾고, 이를 통해 향후 무손실 송전 및 자기 부상 설비 등 다양한 상용화를 이끌어 내는 것이 가능해질 것”이라고 밝혔다.전자쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법 개발과 전자쌍 밀도파의 발견으로 향후 고온 초전도 현상에 대한 연구가 진일보할 것으로 보인다. 고온 초전도 현상의 이해는 더 높은 임계온도를 갖는 초전도 물질의 발견 및 개발을 가속화해 무손실 송전, 조셉슨 소자 및 자기 부상 설비 등의 다양한 산업에 활용될 것으로 전망된다.

고온 초전도체 메커니즘 실타래 풀었다

쿠퍼쌍 원자단위 관측 성공, 새 지평

기사입력 2016-04-17 11:04:46

[산업일보]
초전도체는 외부 온도가 임계온도 이하로 내려가면 전자가 아닌 두 개의 전자가 짝을 지어 형성되는 전자쌍(쿠퍼쌍)에 의해 전류가 흘러 갑자기 저항이 0으로 떨어지는 특이한 성질을 보이는 물체이다. 초전도는 양자 역학적 현상으로, 가령 초전도 전선으로 된 고리에 전류를 흘릴 경우 전원 공급 없이도 무한히 계속 흐를 수 있다.

구리화합물 고온 초전도체 에너지 갭(gap)의 공간적 변이

1911년 초전도 현상이 발견되고, 1957년 세 명의 연구자들이 자신들의 이름을 딴 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론으로 초전도 현상의 원리를 규명했다. 하지만 1 또는 2종의 원자로 이루어진, 30K(-243℃)이하의 임계온도를 갖는 초전도체만이 이를 충족시켰다.

1986년 Bednorz와 Muller가 30K(-243℃) 이상에서 초전도성을 갖는 구리화합물(La2-xBaxCuO4)을 발견하면서 고온 초전도 연구가 활기를 띠어 이후 임계온도가 130K(-143℃)까지 높아진 상태지만, 이 역시 실제 산업에 활용하기는 매우 낮은 온도다. 고온 초전도체의 임계온도를 올리기 위해서는 메커니즘의 이해가 필수적이지만, 수많은 과학자들의 노력에도 밝혀지지 않아, 고온 초전도체 연구는 사실상 답보 상태였다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 강상관계 물질 연구단(단장 노태원, 서울대 물리천문학부)의 이진호 서울대학교 물리천문학부 교수 연구진과 미 코넬대학교 연구진(J.C. Seamus Davis)이 고온 초전도체의 핵심적 작동원리로 알려진 ‘쿠퍼쌍1) (Cooper-Pair) 밀도파’를 원자단위로 관측하는데 성공했다고 밝혔다.

초전도체는 전력 손실이 발생하지 않기때문에 전류가 영원히 흐르게 되며, 매우 강한 자기장을 얻을 수 있기 때문에 자기부상열차나 무손실 송전설비 등을 구현할 수 있는 꿈의 물질로 불린다.

보다 높은 임계온도에서 초전도현상을 보이는 물질이 ‘고온 초전도체’이다. 일반적인 초전도체보다 높은 임계온도에서 저항이 0이 되지만, 산업적으로 활용할 수 있는 수준인 ‘상온 초전도체’에 이르지는 못한다. 현재까지 최고 임계온도는 130K(-143℃) 수준이다.

그간 과학자들은 실제 산업에 활용될 만큼 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 발견하기 위해, 고온 초전도체의 원리 규명에 노력해왔으나, 일반적인 저온 초전도체와 달리 복잡한 원자구조로 결합해있기 때문에, 메커니즘 규명이 어려웠다.

쿠퍼쌍이 균일하게 분포하는 일반적인 저온 초전도체와는 달리, 고온 초전도체는 쿠퍼쌍들이 불균일하게 분포하는 ‘쿠퍼쌍 밀도파(Cooper-Pair Density wave)’를 가지고 있으며, 이것이 고온 초전도 현상을 밝힐 핵심적인 역할을 할 것으로 예측돼 왔다.

IBS 강상관계 물질 연구단 연구진은 나노미터보다 정밀한 수준으로 대상 물질의 원자구조까지 관찰할 수 있는 주사터널링현미경 (Scanning Tunneling Microscopy, 이하 STM)과 조셉슨 효과3)를 이용, 고온 초전도체 내 쿠퍼쌍의 공간 분포를 원자 해상도로, 처음으로 측정하는 성과를 거뒀다.

기존의 초전도체 실험들이 깨진 쿠퍼쌍 전자를 측정하는 간접적인 방식으로 이뤄진 것과 달리, 이번 연구는 고온 초전도체를 수 nm 이내로 접근시켜 두 초전도체 간 쿠퍼쌍이 깨지지 않고 전류가 흐르는 현상(조셉슨효과)을 구현했다.

파동을 갖는 전자들을 원자에 쏘면 일부는 반사되고, 일부는 원자를 뚫고 지나가는 양자 터널링 효과를 이용하는 STM을 활용해, 구리화합물 고온 초전도체(Bi2Sr2CaCu2O8+x4)) 내부 쿠퍼쌍의 흐름을 직접 관측하는 데 성공했다.

이를 위해 STM 측정 탐침 끝에 미세한 고온 초전도체 조각을 부착, 측정대상에 나노미터 수준으로 근접시켰다.

이번 연구를 주도한 이진호 연구위원은 “쿠퍼쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법을 개발해 고온 초전도 현상 연구에 돌파구를 제시한 것”이라며 “고온 초전도 현상에 대한 이해를 심화한다면 더 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 찾고, 이를 통해 향후 무손실 송전 및 자기 부상 설비 등 다양한 상용화를 이끌어 내는 것이 가능해질 것”이라고 밝혔다.

전자쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법 개발과 전자쌍 밀도파의 발견으로 향후 고온 초전도 현상에 대한 연구가 진일보할 것으로 보인다. 고온 초전도 현상의 이해는 더 높은 임계온도를 갖는 초전도 물질의 발견 및 개발을 가속화해 무손실 송전, 조셉슨 소자 및 자기 부상 설비 등의 다양한 산업에 활용될 것으로 전망된다.