고온 초전도를 담당하는 전자의 비정상적인 질서 상태 관측

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-15

일본 토호쿠 대학 원자 분자 재료 과학 고등 연구기구(AIMR)의 연구팀은 동 대학원 이학 연구과의 연구팀과 공동으로 신형 철계 고온 초전도체의 모델 물질인 철-셀레늄에서 초전도를 담당하는 전자가 비정상적인 질서 상태를 형성하는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이 발견은 철계 고온 초전도체의 초전도 기구를 해명하는 열쇠가 될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 미국 물리 학회지 Physical Review Letters에 2014년 12월 5일 (미국 동부 시간)에 온라인 게재되었다. 2008년 도쿄 공업 대학의 연구 그룹은 철을 포함하는 화합물에서 고온 초전도가 발견된 것을 계기로 유사한 물질이 잇달아 발견되어 2008년 말에는 초전도 전이 온도(Tc)가 56K까지 상승했다. 그 후에도 세계적 규모로 연구가 진행되고 있었지만, 한동안 Tc의 최대 값은 업데이트되지 않는 상황이 계속되고 있었다. 그러나, 최근 들어 단독으로는 Tc가 8K의 철계 초전도체의 일종인 철-셀레늄이라는 물질이 큰 주목을 받고 있다. 산화물 상에서 철 셀레늄을 극한(원자 3개분의 두께)까지 얇게하는 것으로, 지금까지 철계 초전도체의 Tc 최고치뿐만 아니라 산업적 응용을 위한 중요한 기준이 되는 액체 질소 온도(77K)도 상회하는 고온 초전도체의 가능성이 보고되었기 때문이다. 이 고온 초전도체의 모체가 되는 철 셀레늄은 철계 초전도체의 가장 단순한 결정 구조(그림 1)를 갖기 때문에 초전도 기구의 해명을 위한 기초 과학적인면에서도 모델 물질로 기대를 모으고 있다. 고온 초전도체의 발생 기원을 해명하기 위해서는 초전도를 담당하는 전자 상태를 확인하는 것이 중요하지만, 고품질의 철 셀레늄 결정을 만드는 것이 매우 어려웠기 때문에 이 물질의 전자 상태는 지금까지 밝혀져 있지 않았다. 본 연구 그룹은 철 셀레늄의 고품질 단결정 육성에 성공하여 외부 광전 효과를 이용한 각도 분해 광전자 분광(그림 2) 실험 방법을 이용하여 철 셀레늄에서 전자를 직접 뽑아 그 에너지 상태를 정밀 조사했다. 그 결과, 초전도가 발현하는 것보다 높은 온도(110K)에서 전자의 에너지 상태에 큰 변화가 발생(그림 3)해 전도면 (그림 1 오른쪽 그림)을 수직 방향으로 움직이는 전자와 가로 방향으로 움직이는 전자, 그리고, 운동성에 차이가 생기는 것을 확인했다. 또한, 이러한 비정상적인 상태가 철 셀레늄의 결정 구조의 변화가 일어나는 온도 (약 90K)보다 높은 온도(110K)에서 일어나고 있는 것으로 확인했다. 이것은 전자 궤도의 변화가 결정 구조의 변화라는 외적 요인에 의하지 않고 자발적으로 발생하고 있을 가능성이 높다는 것을 보여준다. 철 셀레늄은 고온 초전도체를 비롯한 흥미로운 초전도 특성이 보고되고 있지만, 이번 연구를 통해 그 배후에 이상한 질서 상태가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이번 연구를 통해 철계 초전도체의 모델 물질인 철 셀레늄은 비교적 높은 온도에서 전자의 운동성에 세로 방향과 가로 방향에서 차이가 발생한다는 것을 알았다. 본 연구는 초전도 발현의 기반이 되는 전자 상태를 확립한 것으로, 초전도 기구의 해명을 위한 연구가 진행될 수 있다. 또한, 비정상적인 질서 상태와 고온 초전도체와의 관계를 분명히 함으로써 더욱 높은 Tc를 가지는 물질 설계 지침을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. [논문 정보] "Reconstruction of Band Structure Induced by Electronic Nematicity in an FeSe Superconductor" K. Nakayama, Y. Miyata, GN Phan, T. Sato, Y. Tanabe, T. Urata, K. Tanigaki, and T. Takahashi Physical Review Letters, in press. http://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press_20141204_01web.pdf