초전도 요동현상에 의한 거대열자기효과 발견

일본 교토대, 도쿄대, 오사카대 및 일본 원자력연구개발기구의 공동연구진은 특정 우라늄화합물의 초전도체의 열자기효과가 지금까지 예상한 것에 비해 현격하게 크다는 사실을 발견하였다. 열자기효과는 자장에서 종방향의 온도차를 횡방향의 전압으로 변환하는 기능(열전변환)으로 인해 만들어지며, 여기에서 얻어진 거대 열자기효과는 물질이 초전도현상을 보여주는 온도(초전도 전이온도)보다 낮은 고온의 온도에서 형성된 ‘초전도 거품’에서 유래한다. 이 거대 열자기효과는 우라늄화합물의 초전도 거품이 원인이며, 이는 종래의 초전도체에는 없는 기하학적구조를 가진 전자의 산란과정으로 설명할 수 있다.

물질의 온도를 내리면, 저온에서 2개의 전자가 페어(쿠퍼짝)를 이루며 전기저항이 0이 되는 초전도상태가 형성된다. 이 페어는 초전도 전이온도 이하에서만 형성되는 것이 아니며, 전이온도보다 높은 온도에서도 열진동(Heat fluctuation) 효과에 의해 형성되기도 한다. 이 열진동에 의한 페어는 거품처럼 생성과 소멸을 반복하며, 그 결과 초전도상태의 전조라고 불리는 `초전도 요동` (superconducting fluctuation) 현상이 발현된다. 이 초전도 요동은 여러 가지 물리량에 영향을 미친다. 특히, 자장중 열전변환 효과의 일종인 열자기효과 (네른스트효과)는 초전도요동의 성질을 조사하기 위한 중요한 물리량이다. 하지만, 그 동안의 초전도체 연구에서는 이 열자기효과 자체가 크지 않아 열전 변환 재료로 거의 주목받지 못했다.

본 연구에서는 우라늄화합물 초전도체 URu2Si2를 사용하여 초전도요동에서 기인한 열전기효과를 정밀하게 측정하였다. 그 결과 시료의 순도가 증가하면 초전도 요동효과에 의한 열자기 효과가 현저하게 증가한다는 것을 확인하였다. 이는 지금까지 초전도체에서 관측된 실험결과와 정성적으로 다른 결과이다. 또한 열자기 효과의 크기는 종래에 예상한 수치에 100만배에 달한다는 것을 확인하였다. URu2Si2 초전도체는 쿠퍼쌍을 형성하는 2개의 전자가 서로의 주변을 오른쪽으로 회전하거나, 왼쪽으로 회전하는 한 방향으로만 회전하는 초전도 현상이 일어난다. 이러한 초전도체를 카이랄 초전도체라고 부르며, 이 쿠퍼쌍은 종래의 초전도체와 다른 기하학적 구조를 가지고 있다. 이 카이랄 초전도체는 초전도 거품의 표면에 있는 페어 전자에 의해 전도전자가 산란된다. ([그림]) 본 실험결과는 이 산란과정을 바탕으로 한 새로운 이론으로 설명할 수 있다.

본 연구를 통해 카이랄 초전도상태라는 신기한 초전도현상을 초전도요동을 통해 처음으로 관측하였다. 이는 종래의 초전도체와는 다른 새로운 메커니즘에 의한 초전도현상으로 향후 초전도 기초연구 발전에 기여할 것으로 기대된다. 또한 거대 열자기효과에 의해 열전환효율의 지표가 되는 성능지수가 종래의 물질과 비교하여 현격하게 높다는 것을 확인하였다. 이는 향후 열전변환 재료의 개발 및 응용으로 연결될 것으로 기대된다.

본 연구결과는 2014년 12월 1일 학술지 `Nature Physics`에 `Colossal thermomagnetic response in the exotic superconductor URu2Si2’라는 논문으로 게재되었다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 초전도 요동현상에 의한 거대열자기효과 발견