[과학&청사] 비정상 초전도 현상 형상원리 밝혔다

성균관대 박두선 교수, 정순길 연구교수
양자점과 초전도 형성의 관계 입증

절대영도에 양자점이 존재하게 되면 그 주변의 물리량들이 요동을 치게 된다. 양자점(Pc)에 접근할수록 초전도 임계전류가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으며(붉은색), 이는 초전도 돔 내부에서 양자요동과 초전도의 상관관계를 직접적으로 보여주는 결과이다.

박두선 교수 정순길 연구교수

고체물리학의 미해결 과제인 비정상 초전도체의 형성 원리가 밝혀져 학계의 관심이 모아지고 있다.

한국연구재단(이사장 조무제)에 따르면 성균관대 박두선 교수, 정순길 연구교수는 비정상 초전도체가 양자점에서 양자요동에 의해 형성된다는 증거를 제시했다고 밝혔다.

비정상 초전도체는 고전 이론인 포논으로 초전도 형성을 설명할 수 없는 초전도체를 말한다. 양자임계점은 절대 영도에서 하나의 상이 다른 상으로 변하는 점을 말한다. 특히 비정상 초전도체의 종류에는 초전도 형성 온도가 액체 질소 온도 이상으로 높은 고온 초전도체가 포함되기 때문에 비정상 초전도체의 형상원리를 밝히는 것은 21세기 물리학이 직면한 첨단 과제일 뿐 만 아니라 산업화에도 기여할 가능성이 풍부한 주요 난제다.

초전도체는 절대 영도(-273도)에 가까운 매우 낮은 온도에서 저항이 0이 되어, 전력손실 없이 전기가 흐를 수 있다. 최근 기존 초전도체와 달리 액체질소(-196도)보다 높은 오도에서 초전도 현상을 보이는 비정상 초전도체가 주목받고 있다. 이 연구가 심화되면 오늘날 MRI 기기, 자기부상열차를 넘어서서 더 많은 전력 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

초전도체의 특성은 전자쌍에 의해 결정되는데, 비정상 초전도체의 전자쌍이 어떻게 형성되는지에 대해서는 이론상에만 존재할 뿐 실제로 밝혀지지 않았다. 이론적으로 다양한 가설이 존재했지만, 실험적으로 증명하기에는 여러 변수로 인해 쉽지 않았다는 것이다.

연구팀은 비정상 초전도체의 대표적인 초전도 특성으로 임계전류를 관찰한 결과, 양자점에서 임계전류가 최대가 된다는 사실을 발견했다. 임계전류는 저항이 0일 때 전력손실 없이 수송할 수 있는 최대 전류다. 임계전류 이상의 전류에서는 유한한 저항값을 가진다.

연구팀이 관찰한 비정상 초전도체는 세륨(Ce), 로듐(Rh), 인듐(In)이 포함된 CeRhIn5에 미량의 주석(Sn)을 첨가한 물질이다.

임계전류가 최대가 된다는 것은 초전도체의 전자쌍이 형성돼 초전도 현상이 최대가 된다는 것을 시사한다. 임계전류와 양자점의 직접적인 연관성을 보인 이번 결과는 비정상 초전도체의 전자쌍 매개 원인이 양자점에서 발현되는 양자요동에 의한 것이라는 가능성을 강하게 뒷받침한다.

박두선 교수는 “이번 연구결과는 양자임계점과 고온 초전도에 대한 이해를 심화할 수 있는 단초를 제공한 것”이라며 “향후 MRI 소비전력을 절감해 의료비를 줄일 뿐만 아니라 새로운 산업적 가치를 유발할 수 있는 초전도 물질 디자인에 기여할 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이해미 기자