지식보관소_ 지금까지 이론적으로 설명할 수 없던 고온 초전도체의 과학적 원리에 대한 실마리가 풀렸다

 

 

얼마 전 프리스턴 대학의 연구팀은

텅스텐 ditelluride에서

고온 초전도체 현상의 열쇠가 될

매우 신기한 양자현상을 발견해 냈으며,

이 내용은 네이처지 물리학 저널에 게시가 되었습니다.

 

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특정 매질의 저항이 제로가 되는 초전도 현상은

자기부상 열차나 송배전 시스템뿐만이 아니라

미래의 핵융합 발전이나 탄소 배출량을

획기적으로 줄일 수 있는 기술 등

지속 가능한 인류 문명을 만들기 위해서

반드시 필요한 기술입니다.

 

그리고 지금까지 많은 연구를 통해서

액체 지수만으로도

초전도 현상이 가능한 물질들이 만들어졌고

이 기술은 현재 대규모 전력망이나 MRI나 자기부상 열차 같은

실생활에 이용되고 있습니다.

 

문제는 극저온 초전도 현상이 발생되는 이유가

BCS 이론으로 매우 잘 설명되고 있었지만

정작 액체 질소의 온도에서 이용 가능한

이런 고온 초전도체 현상이 발생하는 이유는

전혀 모른다는 것인데요.

 

고온 초전도체의 과학적인 원리를 모른다는 이유 때문에

매년 고온 초전도체 내지

상온 초전도체 현상이 의심된다는 연구가 발표는 되고 있지만

정작 실제로 활용 가능한

고온 초전도체는 거의 없는 상황입니다.

 

심지어 고온 초전도체를 넘어서

상온 초전도체 현상에 대한 연구는

지금까지 해외에서 수십 차례 이상 발표가 되었지만

대부분 과장된 주장이거나

실험 오류 등으로 밝혀져 오면서

고온 초전도체의 과학적 원리를 찾기는

쉽지 않다고 생각이 되어왔습니다.

지금까지는 말이죠.

 

얼마 전 프리스턴 대학의 연구팀은

텅스텐 ditelluride에서

고온 초전도체 현상의 열쇠가 될

매우 신기한 양자현상을 발견해 냈으며

이 내용은 네이처지 물리학 저널에 게시가 되었습니다.

 

상전이 현상은 다들 아시다시피

얼음이 녹아서 물이 되거나 물이 끓어서 수증기가 되는 등

물체의 상이 변하는 현상인데요

이러한 상전이가 일어나는 이유는

분자의 운동에너지가 커지거나 줄어들면서

입자의 배열 상태가 변한 것으로

양자역학과 매우 밀접한 관련이 있습니다.

 

중요한 건 현재 이론적으로 잘 설명되는 극저온 초전도 현상은

어찌 보면 사실상

원자 수준에서 상전이가 발생하는 현상으로

거의 섭씨 –270도의 절대 온도에 가까운 낮은 온도에서

상전이로 전자가 쿠퍼쌍을 형성하게 되는 원리입니다.

전자가 쿠퍼쌍을 형성하게 되면

사실상 전기적으로 중성이 되면서

양성자의 영향을 받질 않아서

전기저항이 사라지게 되는 것이죠.

 

문제는 이러한 BCS 이론으로 나타나는 초전도 현상은

대기압에서 섭씨 0도가 되게 되면

물이 갑자기 어는 것처럼

대기압에서 일정 수준 이하의 온도가 되어야만

나타날 수가 있다는 것이었고

섭씨 -180도 같은 고온에서 나타나는 고온초전도 현상은

설명이 불가능하다는 것이었습니다.

 

여기서 잠깐

많은 사람들이 오해하는 부분에 대해 설명하고 넘어가자면

고온 초전도체는 뜨거운 온도가 아니라

섭씨 -199도 이상의 액체 질소로 냉각했을 때

초전도가 가능한 현상인데

이렇게 낮은 온도임에도 고온 초전도체라고 불리는 이유는

이미 오랜 시간 동안 BCS 이론으로

초전도 현상이 설명이 되면서

당연히 초전도 현상은

절대 0도인 섭씨 -270도 근처에서만 나타나는 현상으로 생각을 해오다가

20세기 말 갑자기 거의 절대 온도보다

100도 가까이 높은 온도에서

초전도 현상이 일어나는 현상이 발견되면서

액체 지수로 냉각될 정도로 높은 온도에서는

모두 다 고온 초전도체라고 부릅니다.

 

문제는 이번에 프리스텐 대학의 연구팀은

텅스텐 ditelluride라는 물질을

단일층으로 벗겨내고

극초저온까지 냉각시키는 과정에서

놀라운 현상을 관찰하게 되었다는 것인데요.

 

아직은 절연체상태였던 텅스텐 ditelluride의 결정에

매우 약한 게이트 전압을 가하자

갑자기 예기치 않게 quantum vortex가

갑자기 사라진 현상이 발견된 것입니다.

 

이게 용어가 좀 어려워서 설명하자면

quantum vortex, 일명 양자 소용돌이는

초전도성을 띠던 물질이

초전도성이 사라질 때 발생하는 것으로

quantum vortex가 발생한 분자 구조는

비 초전도 상태로 돌아가게 됩니다.

 

그런데 이번 연구에서 사용된 텅스텐 ditelluride 결정이

초전도 현상이 나타나야 할 온도가 되기 전에

약한 게이트 전압을 가하자

quantum vortex가 사라지면서

아주 갑작스럽게 초전도성을 나타냈다는 것인데요.

 

이 실험이 의미하는 바는

BCS 이론에서 초전도 현상을 일으키는

양자 상전이가 어떤 이유로 일어났다는 것이고,

그 이유가 전류

즉 전자와 관련이 있다는 것입니다.

 

결국 분자 구조의 전자의 상태에 따라서

BCS 이론이 예상하지 못하는

혹은 쿠퍼쌍과는 다른 형태의 상전이가 일어날지도 모른다는 것이며

이러한 상전이가

고온 초전도체의 원인일 가능성이 높다는 것입니다.

 

BCS 이론으로 극초저온에서 초전도 현상이 발생한 원인은

이미 명확하게 규명된 상태이기 때문에

고온 초전도체도

결국 BCS 이론처럼 양자 상전이로 인해서 발생한다는 점에서

매우 설득력이 높다는 것이 이번 논문의 장점이며

심지어 온도가 조금 더 높더라도

초고압에서 초전도가 일어나는 현상까지도

설명할 수가 있습니다.

 

거기에다가 확실한 실험 데이터가 있기 때문에

네이처지에도 게시가 될 수가 있었죠.

 

안 좋은 소식은

이미 구현이 확인된 고온 초전도체의 원인이

이번 연구 결과와 관련이 있다면

결국에 절대 0도보다는 높은 온도라고는 해도

양자규모에서 상전이가 일어날 수가 있는 매우 낮은 온도가

초전도 현상에 필수적이라는 것이며,

그보다 높은 고온이나 상온 초전도체의 연구들은

잘못된 것일 수도 있다는 것입니다.

 

이미 작년에 우리나라를 떠들썩하게 했던 상온 초전도체는

국내 연구팀에 의해서 근거가 전혀 없다는 결론이 나왔었고

네이처지를 포함한 유명 학술지에도

전부 Lk-99가 부정되었기는 하지만

상온 상압에서도 초전도 현상을 보이는 물질은

우리의 꿈과 희망이라는 점에서 조금 안타까운 부분입니다.

 

물론 제가 4년 전에 초전도 현상을 설명했던 영상에서

개인적으로 상온 상압의 초전도 물질은

존재하지 않을 것이라고 생각한다고 말했지만

항상 제 생각이 틀렸기를 기도하고 있는 입장에서

고온 초전도체를 설명하는 다른 이론이 나와서

세상을 바꿔줬으면 좋겠습니다.