비정상적 고온 초전도 현상 실마리 밝혀내

양자 요동과 초전도 형성 사이 관계 입증, 산업적 파급효과 기대

▲CeRhIn5와 Sn을 치환한 후의 압력과 온도에 대한 상도표.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 비정상 초전도체의 형성원리에 대한 실마리가 잡혀 학계의 관심을 모으고 있다. 초전도 현상을 마음대로 제어하면 암과 각종질병 진단에 쓰이는 자기공명영상(MRI)에 고온초전도자석을 활용해 의료비를 절감하는 등 초전도체의 광범위한 활용이 가능성하다.

국내 연구팀이 고체물리학의 미해결 과제인 비정상 초전도체의 형성원리가 양자임계점에서 발생하는 양자 요동이라는 직접적 연구결과를 내놓았다. 비정상 초전도체는 저항이 영이 되는 도체를 초전도체라 하며 고전 이론과 달리 양자 요동이 초전도를 형성한다는 점에서 비정상 초전도체로 일컫는다. 양자임계점은 절대 영도에서 하나의 상이 다른 상으로 변하는 점을 말한다. 양자요동이란 열에 의한 입자의 진동이 아닌 양자역학의 불확정성 원리로 발생하는 진동을 의미한다.

초전도체의 특성은 초전도 전자쌍이 결정짓는데 기존의 정상 초전도체는 전자쌍의 형성 원리가 알려져 있었다. 비정상 초전도체의 전자쌍 형성 원리는 아직 이론상에만 존재할 뿐 실제로 밝혀지지 않았다. 이론적으로는 다양한 가설이 존재하는데 실험적으로 증명하기에는 여러 가지 변수들이 있어 쉽지 않았다.

연구팀은 비정상 초전도체의 전자쌍을 매개할 후보로 알려져 있으며 양자요동이 강하게 나타나는 CeRhIn5 물질에 미량의 주석(Sn)을 첨가했다. 양자요동이 발생하는 외부 조건을 변화시켜 관찰한 결과 초전도현상이 변화된 조건에 민감하게 반응한다는 사실을 발견했다. CeRhIn5는 세륨(Ce), 로듐(Rh), 인듐(In)을 포함하는 초전도체 물질로 압력 하에서 양자임계점을 가지며 그 주위로 초전도현상이 나타나는 특성을 띠는 화합물이다.

초전도 형성의 원인으로 생각되는 물리량과 초전도현상이 같은 방향으로 제어가 된 이번 결과는 비정상 초전도체의 전자쌍을 매개하는 원인이 양자요동일 가능성을 강하게 뒷받침하는 결과이다. 이번 연구결과는 고온 초전도체에서 양자점 제어를 통해 초전도현상을 제어할 수 있는 가능성이 있음을 시사한다.

성균관대학교 물리학과 박두선 교수가 주도하고 서순범 박사과정(제1저자) 등이 수행했다. 미국 로스알라모스국립연구소, 포항공대와 공동연구로 진행됐다. 연구결과는 과학 전문지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 3월 4일자((논문명:Controlling superconductivity by tunable quantum critical points)에 실렸다.

박두선 교수는 "이번 연구결과는 지난 30여년 미스터리로 남아있던 고온초전도에 대한 이해를 심화할 수 있는 단초를 제공했을 뿐만 아니라 새로운 산업적 가치를 유발할 수 있는 상온초전도 디자인에 대한 청사진을 제공한 발견"이라고 설명했다.