냉각이 필요없는 초전도성

초전도성(superconductivity)은 특이할 만한 현상이다: 초전도체는 어떤 저항 없이도 전류를 전송할 수 있어서 전력손실이 발생하지 않는다. 초전도체는 이미 핵 자기 단층촬영(nuclear spin tomography) 혹은 입자 가속기(particle accelerator)의 자석과 같은 특수한 분야에서 이미 사용되고 있다. 그러나, 이런 용도로 사용하기 위해서는 매우 낮은 온도로 초전도체를 냉각시켜야만 한다. 그러나 작년, 놀라운 실험결과가 발표되었다.

단파장 적외선 레이저 펄스(short infrared laser pulse)를 이용해, 과학자들은 매우 짧은 시간 동안이기는 하지만 처음으로 상온에서 세라믹 초전도성을 구현하는데 성공하였다. 막스플랑크 연구소(Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)의 물리학자들이 핵심적인 기여를 한 국제 연구팀은, 연구결과를 Nature지에 게재하였다. 레이저 펄스는 결정 격자 내의 개별원자의 움직임을 허용함으로써 초전도성을 향상시키는 것으로 여겨진다. 본 발견은 상대적으로 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 물질의 개발을 돕게 됨으로써 새로운 활용가능성을 높여주고 있다.

맨 처음에 초전도성은 영하 섭씨 273도의 절대 영도(absolute zero) 근처의 온도에서 오직 몇 종류의 금속만이 나타내는 특성으로 알려졌었다. 그리고 1980년대 물리학자들에 의해 세라믹 물질을 기반으로 하는 새로운 종류를 발견하게 되었다. 이 물질은 영하 섭씨 200도 정도의 온도에서 전기를 손실 없이 전송할 수 있기 때문에 고온 초전도체(high-temperature superconductor)로 불렸다. 이 세라믹 물질은 초전도성 케이블, 모터 및 발전기와 같은 기술분야에서 가장 활용도가 높다.

YBCO 결정은 특수한 구조를 가지고 있다. 얇은 산화구리(copper oxide) 이중층이 바륨(barium) 및 구리와 산소를 포함하는 더 두꺼운 중간층과 교대를 이루고 있다. 초전도성은 얇은 산화구리 층에서 기원한다. 이곳에서 전자가 관여하여 소위 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)을 형성한다. 쿠퍼 쌍은 서로 다른 층 사이를 방해 받지 않고 이동할 수 있음을 의미하며, 일종의 양자효과에 해당한다. 이 결정은 오직 임계온도(critical temperature) 이하에서만 초전도성을 나타내지만, 쿠퍼 쌍은 이중층 내 뿐만 아니라 더 두꺼운 층을 통과하여 다음 이중층으로 이동할 수 있다. 임계온도 이상에서, 이중층 간의 커플링이 소실되어 이 물질은 전도성이 미약한 금속이 된다.

2013년, 국제 연구팀은 막스플랑크 연구원인 Andrea Cavalleri와 함께, YBCO를 적외선 레이저 펄스로 조사하였을 때 상온에서 초전도성을 나타낸다는 것을 발견하였다. 레이저 빛은 결정 내 이중층의 커플링을 명백히 변형시켰다. 그러나 물리학자들이 전 세계에서 가장 강력한 엑스선 레이저가 있는 미국의 LCLS에서 실험을 통해 비밀을 밝혀내기 전까지는 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았었다. 본 연구를 이끈 막스플랑크 물리학자인 Roman Mankowsky에 따르면, 과학자들은 우선 적외선 펄스를 결정에 조사하고 특정 원자가 여기되어 진동하도록 유도하였다고 한다. 그리고 결정의 정확한 구조를 밝혀내기 위해 단파장 엑스선 펄스를 활용하였다고 밝혔다.

결과: 적외선 펄스는 원자를 여기시켜 진동시킬 뿐만 아니라 결정 내에서 위치가 변하도록 하였다. 이로써 산화구리 이중층은 2피코미터(picometer) 정도 더 두꺼워졌으며, 이는 원자 지름의 백분의 일 정도에 해당하는 값이다. 그리고 이중층 사이의 층은 그 만큼 더 얇아졌다. 결국 이중층 사이의 양자 커플링(quantum coupling)이 증가하였으며, 결정은 수 피코초(picosecond) 동안 상온에서 초전도성을 나타내는 결정이 되었다.

이 새로운 연구결과는 고온 초전도체의 불완전한 이론을 수정하는데 도움을 주게 될 것이다. 또한 재료과학자들로 하여금 더 높은 임계온도를 갖는 새로운 초전도체를 개발하는 데에도 이용될 것이다. 궁극적인 목표는 상온에서 활용할 수 있는 초전도체를 개발하는 것이다. 지금까지 초전도성 자석, 모터 및 케이블은 액체 질소나 헬륨으로 절대 영도까지 냉각시켜야만 했다. 만약 이런 복잡한 냉각이 불필요하게 된다면, 이 기술의 돌파구가 될 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 냉각이 필요없는 초전도성