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고온 초전도체 쿠퍼쌍 원자단위 관측 성공 메커니즘 규명 새 장 규명, 새 이론정립에 기여 미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원은 강상관계물질연구단 이진호 서울대 물리천문학부 교수 연구진과 미 코넬대학교 연구진(J.C. Seamus Davis)이 고온 초전도체의 핵심적 작동원리로 알려진 ‘쿠퍼쌍(Cooper-Pair) 밀도파’를 원자단위로 관측하는데 성공했다고 지난 4월 14일 밝혔다. 원자 분해능으로 쿠퍼 전자쌍의 공간상의 분포를 측정한 실험은 지금까지 존재하지 않았다. 이는 고온 초전도체의 메커니즘을 규명하는데 한계점으로 존재했으나, 이번 연구를 통해 그 한계를 극복했다. 따라서 이번 연구결과는 이론적으로만 예측되던 고온 초전도 현상의 이론 정립에 큰 기여를 할 것으로 보인다.
이진호 교수
초전도체, 무 손실 송전설비 등 구현 가능초전도체란 보통 -240℃ 근처로 매우 낮은 임계온도 이하에서 전기저항이 ‘0’이 되는 물질을 의미한다. 초전도체에서는 두 개 전자가 하나의 쌍을 이루는 ‘쿠퍼쌍’에 의해 전류가 흐른다. 이는 전력손실을 발생시키지 않으므로 전류가 영원히 흐르게 되며, 매우 강한 자기장을 얻을 수 있기 때문에 자기부상열차나 무 손실 송전설비 등을 구현할 수 있는 꿈의 물질이다. ‘고온 초전도체’는 이보다 높은 임계온도에서 초전도현상을 보이는 물질이다. 그러나 일반적인 초전도체보다 높은 임계온도에서 저항이 ‘0’이 되지만, 산업적으로 활용할 수 있는 수준인 ‘상온 초전도체’에는 이르지 못한다. 현재까지 최고 임계온도는 130K(-143℃) 수준이다.
복잡한 원자구조 결합, 메커니즘 규명 난해
주사 터널링 현미경과 조셉슨 효과 이용 그동안 과학자들은 실제산업에 활용될 만큼 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 발견하기 위해 고온 초전도체의 원리규명에 부단히 노력해왔다. 그러나, 일반적인 저온초전도체와 달리 복잡한 원자구조로 결합되어 있어 메커니즘 규명이 어려웠다. 즉, 쿠퍼쌍이 균일하게 분포하는 일반적인 저온 초전도체와는 달리, 고온 초전도체는 쿠퍼쌍들이 불균일하게 분포하는 ‘쿠퍼쌍 밀도파(Cooper-Pair Density wave)’를 갖고 있으며, 이것이 고온 초전도현상을 밝힐 핵심적인 역할을 할 것으로 예측되어 왔다. 연구진은 나노미터보다 정밀한 수준으로 대상물질의 원자구조까지 관찰할 수 있는 주사 터널링현미경(Scanning Tunneling Microscopy, 이하 STM)과 조셉슨효과를 이용해서 처음으로 고온 초전도체 내 쿠퍼쌍의 공간분포를 원자 해상도로 측정하는 성과를 거두었다. 기존의 초전도체 실험들이 깨진 쿠퍼쌍 전자를 측정하는 간접적인 방식으로 이뤄진 것과 달리, 이번 연구는 고온 초전도체를 수 나노미터 이내로 접근시켜 두 초전도체 간 쿠퍼쌍이 깨지지 않고 전류가 흐르는 현상(조셉슨 효과)을 구현했다. 파동을 갖는 전자들을 원자에 쏘면 일부는 반사되고, 일부는 원자를 뚫고 지나가는 양자 터널링 효과를 이용하는 STM을 활용해서 구리화합물 고온 초전도체(Bi2Sr2CaCu2O8+x4) 내부 쿠퍼쌍의 흐름을 직접 관측하는데 성공했다. 이를 위해 STM측정 탐침 끝에 미세한 고온 초전도체 조각을 부착, 측정대상에 나노미터수준으로 근접시켰다.
조셉슨 효과 구현이 연구의 핵심 초전도체는 외부 온도가 임계온도 이하로 내려가면 전자가 아닌 두 개의 전자가 짝을 지어 형성되는 전자쌍(쿠퍼쌍)에 의해 전류가 흘러 갑자기 저항이 ‘0’으로 떨어지는 특이한 성질을 보이는 물체다. 초전도는 양자 역학적 현상으로, 가령 초전도 전선으로 된 고리에 전류를 흘릴 경우, 전원공급 없이도 무한히 계속 흐를 수 있다. 1911년 초전도현상이 발견되고, 1957년 세 명의 연구자들이 자신들의 이름을 딴 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)이론으로 초전도현상의 원리를 규명했다. 하지만 1, 또는 2종의 원자로 이루어진, 30K(-243℃) 이하의 임계온도를 갖는 초전도체만이 이를 충족시켰다. 1986년 Bednorz와 Muller가 30K(-243℃) 이상에서 초전도성을 갖는 구리화합물(La2-xBaxCuO4)을 발견하면서부터 고온 초전도연구가 적극적으로 추진되며 임계온도가 130K(-143℃)까지 높아진 상태지만, 이 역시 실제산업에 활용하기는 매우 낮은 온도다. 고온 초전도체의 임계온도를 올리기 위해서는 메커니즘의 이해가 필수적이지만, 수많은 과학자들의 노력에도 밝혀지지않아 고온 초전도체 연구는 사실상 답보상태였다. 연구진은 STM 측정탐침에 나노 크기의 구리화합물 고온 초전도체(Bi2Sr2CaCu2O8+x)를 접합하고, 이 탐침을 동종 구리화합물 고온 초전도체 표면에 나노미터 보다 짧은 거리로 근접시켜 초전도체/진공/초전도체 접합을 형성, 조셉슨 효과가 일어날 수 있도록 했다. 이번 연구로 고온 초전도현상에 대한 연구가 진일보할 것으로 보이며, 더 높은 임계온도를 갖는 초전도물질의 발견 및 개발을 가속화해 무 손실 송전, 조셉슨 소자 및 자기 부상 설비 등의 다양한 산업에 활용될 것으로 보인다. 이번 연구를 주도한 이진호 연구위원은 “쿠퍼쌍을 직접 측정하는 새로운 실험기법을 개발하여 고온 초전도현상 연구에 돌파구를 제시한 것”이라며 “고온 초전도현상에 대한 이해를 심화한다면 더 높은 임계온도를 갖는 상온 초전도체를 찾고, 이를 통해 향후 무 손실 송전 및 자기부상설비 등 다양한 상용화를 이끌어 내는 것이 가능해질 것”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 네이처(Nature, IF 41.456) 온라인 판 4월 14일자에 게재됐으며, 공동교신 저자인 코넬대학교 J. C. Seamus Davis 교수 연구진과 공동으로 조셉슨 효과를 이용한 STM 실험기법을 개발하여 진행했다.
[그림1］구리화합물 고온 초전도체 에너지 갭(gap)의 공간적 변이35nm x 35nm 크기로 측정한 Bi2Sr2CaCu2O8+x의 표면과 에너지 갭의 공간적 변이를 볼 수 있으며(사진 a, b, c) 이들을 푸리에 변환한 사진을 통해 표면의 공간 변이와 에너지 갭의 공간 변이가 같은 모멘텀 값과 크기를 가지고 변화함을 확인할 수 있다. (사진 d, e, f)
[그림2］조셉슨 효과를 이용한 STM 실험을 위한 고온 초전도 측정 탐침 제작STM 측정 팁에 Bi2Sr2CaCu2O8+x를 붙여 측정하고 있는 모식도를 볼 수 있다.(사진a)Bi2Sr2CaCu2O8+x 측정 팁을 통해 측정한 전도도 실험 및 표면 측정 결과는 사진 b, c,d에 제시되어 있으며, 이를 통해 조셉슨 효과가 실제로 일어나고 있음을 확인할 수 있다.
[그림3］전자쌍의 공간분포 측정고온 초전도 측정 팁이 아닌 텅스텐 팁으로 측정한 전도도 맵으로 아연불순물의 위치를 확인할 수 있다.(사진 a) 같은 범위에서 Bi2Sr2CaCu2O8+x 측정 팁으로 측정한 전도도 맵으로 아연불순물 위치에서 쿠퍼 전자쌍의 밀도가 급격히 감소한 것을 확인할 수 있다.(사진 b) [그림1]의 e와 d에서 측정된 공간변이가 쿠퍼 전자쌍 공간변이에서 일치함을 확인할 수 있고(사진 c), 이러한 결과들을 통해 실제로 Bi2Sr2CaCu2O8+x 측정 팁을 얻었음을 확인할 수 있다.
[그림4] Bi2Sr2CaCu2O8+x에서 전자쌍 밀도파의 시각화쿠퍼 전자쌍 공간상의 밀도 분포를 35nm x 35nm로 측정한 결과를 통해 주기적으로 변화하는 것을 사진 a에서 확인할 수 있다. 푸리에 변환을 통해 모멘텀을 갖고 변화하는 것을 볼 수 있다.(사진 b) 사진 a의 파란 선을 따라 쿠퍼 전자쌍의 주기적인 밀도 변화를 사진 c의 파란 선에서 명확히 볼 수 있다. 전자쌍 밀도파와의 비교를 위해 측정된 전하 밀도파(charge density wave)의 모멘텀 맵(사진 d)을 보면, 비슷한 모멘텀 값을 가지나 봉우리의 너비와 그 크기 를 보면 이 둘이 동일하지 않음을 확인할 수 있다.
<용어설명> 1. 쿠퍼쌍(Cooper Pair, 쿠퍼 전자쌍) 쿠퍼쌍은 초전도 현상을 설명하는 BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)이론에서 제시한 것으로 전자 두 개가 쌍을 이뤄 하나의 입자와 같이 행동하는 것으로 초전도현상이 발생하는데 핵심적인 역할을 갖는다. 2. 주사 터널링 현미경(Scanning Tunneling Microscopy) STM(Scanning Tunneling Microscopy)은 양자역학의 터널링 효과를 이용하여 팁과 샘플 사이의 터널링 전류를 측정하며 팁을 원자단위의 작은 크기로 움직여 원자해상도를 구현할 수 있다. 이를 통해 샘플의 표면과 더불어 전자구조를 각 원자위치마다 측정할 수 있어 응집물질 내에서의 현상을 규명하는데 중요한 역할을 수행하고 있다. 3. 조셉슨 효과(Josephson Efect) 조셉슨(Josephson) 효과는 두 초전도체가 결맞음(coherence) 거리 이내로 가까이 위치하는 초전도/부도체(진공)/초전도 접합을 형성할 때, 두 초전도체 간에 쿠퍼 전자쌍이 전자로 깨지지 않은 채로 터널링해 전류가 흐르는 현상이다. 전자쌍이 깨지지 않고 그 자체로 터널링한다는 것이 중요하다. 4. Bi2Sr2CaCu2O8+x 구리 화합물 고온 초전도체 물질로 정공 도핑정도에 따라 반강자성 모트 절연체에서부터 초전도체 등의 특성을 갖게 된다. 정공 도핑 정도에 따라 임계온도가 달라지나 이상적인 정공 도핑 시에 가장 높은 95K(-178℃) 임계온도를 갖는다.
<Energy News>
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