미국 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들은 처음으로 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 제작할 수 있는지에 대한 실마리를 제공할 수 있는 연구를 수행하였다. 이들의 연구에서 SLAC과 스탠퍼드 대학의 연구진은 철-셀레나이데 박막 초전도가 STO(SrTiO3)라고 불리는 다른 물질의 상단에 놓였을 때, 왜 훨씬 더 높은 온도에서 100%의 효율로 전기를 전달할 수 있는지를 설명하였다.

이런 발견은 네이처 저널에 발표되었으며 실온에서 작동하는 초전도체를 개발하고자 하는 지난 30년의 탐구에 새로운 장을 여는 것이 될 것이다. 실온 초전도체는 개발된다면 에너지 전반에 큰 영향을 미칠 것이다. 비록 오늘날의 고온 초전도체가 전통적인 초전도체 보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동하지만, 그것들은 아직도 섭씨 영하 135도의 낮은 온도에서만 작동한다. 이 새로운 연구에서, 과학자들은 STO 안에서의 자연적인 초고속 진동은 전자들이 초전도가 되기 위해 필요한 쌍을 이루기 위한 에너지를 공급해준다.

연구진은 그들의 시뮬레이션이 이 방법이 철기반 초전도체의 작동 온도를 적어도 50% 더 높이는데 사용될 수 있다는 것을 나타낸다고 말하였다. 2년 전 중국의 과학자들에 의해서 개발된 물질의 결합을 조사하였다. 그들은 단일층 철 셀레나이데 박막이 STO의 상단에 놓이면 그것의 최대 초전도 온도가 8도 상승하여 절대 영도로 부터 거의 77도 이상이 되는 것이다. 이것은 매우 향상된 것이지만, 정확하게 어떤 상태로 이런 것이 진행되는지를 이해하지 못한다면 더 이상의 진보를 기대하는 것은 어려울 것이다.

이 새로운 연구에서 SLAC 연구진은 STO 기반 상에 단지 한 개의 층 두께만을 가진 철 셀레나이데 박막 성장을 위한 시스템을 제작하였다. 이들 연구진은 SLAC 스탠포드 싱크로트론 방사광 소스에서 결합된 물질을 조사하였다. 그들은 ARPES라고 불리는 극도로 민감한 기술을 이용하여 X-선과 충돌된 시료로부터 방출된 전자들의 에너지와 운동량을 측정하였다. 이것은 전자들이 시료 내부에서 어떤 거동을 하는지에 대한 정보를 제공하여 준다. 초전도체 안에서 전자들은 쌍을 이루어 저항없이 전도된다. 연구진은 또한 이론학자들의 도움을 받아 그들이 관측한 것을 설명할 수 있는 시뮬레이션을 수행하였다. 이 연구에 참여하지 않은 콜롬비아 대학의 응집 물리학자인 Andrew Millis는 이것은 매우 인상적인 실험이라고 말하였다. 그리고 그것은 기판 위의 한 개 층 철 셀레나이데를 놓는 것이 왜 중요한지를 분명하게 설명하고 있다고 그는 말하였다. 그것은 많은 흥미로운 질문을 끌어 모을 것이며 많은 연구를 고무시킬 것이라고 그는 덧붙였다.

아직도 과학자들은 무엇이 전자쌍을 유지시키는지 모르고 있다. 이런 전자쌍 덕분에 전자들은 고온 초전도체에서 전류를 저항없이 흐르게 할 수 있는 것이다. 의도적으로 새로운 고온 초전도체를 만들 수 없기 때문에, 초전도 연구의 진보가 느린 것이다. 이 새로운 결과는 사람들이 이전에 고려하지 못한 새로운 방향을 제시하여 주고 있다. 이 연구는 궁극적으로 고온 초전도체의 새로운 기록을 세울 수 있는 잠재력이 실제로 있으며 지난 오랫동안 이해하지 못한 것을 이해할 수 있게 만들어 주었다고 연구진은 말하였다.

SLAC은 SSRL에 새로운 X-선 빔라인을 제작 중이며 더 진보된 ARPES 시스템으로 특이한 물질을 연구하고 제작할 수 있게 할 것이라고 연구진은 말하였다. 연구진은 그들의 논문이 이런 물질에서 초전도체를 제작할 수 있는 새로운 경로를 예측하는 것이라고 덧붙였다. 이들의 연구 결과는 “Significant Tc enhancement in FeSe films on SrTiO3 due to interfacial mode coupling”이라는 제목으로 Nature 저널에 발표되었다.

첨부그림 1: 초전도체 철 셀레나이데 단일층은 STO로 알려진 다른 물질의 상단에 놓여져있다. STO의 주요 요소는 셀레늄, 티타늄 그리고 산소이다. STO는 청색 피라미드로 보이고 있으며, 이것은 원자 정렬로 보여진다. SLAC의 연구는 STO로부터 발생하는 자연적인 진동은 철 셀레나이데 박막 안으로 움직이며 박막의 전자들은 쌍을 이루어 이전보다 훨씬 더 높은 온도에서 100퍼센트 효율로 전기를 전도할 수 있다. 이 연구 결과는 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 인위적으로 제작할 수 있는 방법을 제시한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』