고압에서 초전도 기록을 달성한 황화수소

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-18

보통의 화합물이 기록적으로 높은 온도에서 저항 없이 전기를 전도한다는 보고가 발표되었다. 이것은 신종 물질들을 능가하는 기록이다. 거의 30년 동안, 실온 초전도체에 대한 연구는 큐프레이트라는 신종 물질에 초점을 맞추었다. 큐프레이트는 최대 164켈빈, 즉 –109 ˚C의 온도에서 에너지를 열로 잃어버리지 않고 전류를 운반할 수 있다. 그러나 보통의 분자인 황화수소를 이용하여 그 기록을 능가했다고 과학자들이 주장했다. 이 재료의 매우 작은 시료에 지구의 핵 내부에 근접한 압력을 인가했을 때, 190 K (–83 ˚C)에서 초전도성을 띠었다고 연구진은 말했다. “이번 결과가 재현된다면, 매우 충격적일 것이다. 역사적인 발견이 될 것”이라고 프린스턴대(Princeton University) 고체화학자인 로버트 카바(Robert Cava)는 말했다. 발명자들인 존 바딘(John Bardeen), 레온 쿠퍼(Leon Cooper) 및 로버트 슈리페(Robert Schrieffer)의 성을 따서 BCS 이론이라고 불리는 확립된 초전도 이론에서는, 결정 원자의 진동이 전자들로 하여금 결정을 통해 저항 없이 흐를 수 있는 ‘쿠퍼 쌍(Cooper pair)’을 형성하도록 만들 수 있다고 한다. BCS 이론은 1950년대에 개발되었지만, 1986년에 발견된 큐프레이트(cuprates)나 2006년에 발견된 철 프닉타이드(iron pnictides)의 초전도성에 대해서는 설명할 수 없다는 것이 물리학자들 대부분의 생각이다. BCS 이론이 다른 종류의 고온 초전도체, 특히 수소와 같은 가벼운 원소들을 포함하는 재료에 대한 연구를 이끌어주기를 과학자들은 바라고 있다. 이러한 재료들은 더욱 빠른 진동을 발생시켜서 전자쌍들 사이에 더 강한 결합을 만든다. 이번 최신 연구는 코넬대(Cornell University)의 물리학자 닐 애쉬크로프트(Neil Ashcroft)의 연구를 기반으로 하고 있으며, 그는 수소 화합물의 초전도 가능성을 연구하고 있다. 좀 더 구체적으로, 그 연구는 황화수소가 160만 대기압에 노출되었을 때에 최대 약 80켈빈에서도 초전도성을 유지해야 한다는 중국 물리학자 팀의 최근의 이론 예측에 대한 연구이다. 그와 같이 높은 압력은 쿠퍼쌍의 전자들을 압착시켜서 열적교란에 의해 거의 파괴되지 않도록 만든다. 막스플랑크화학연구소(Max Planck Institute for Chemistry)의 미하일 에레메츠(Mikhail Eremets)와 동료들은 약 100분의 1밀리미터 폭 정도의 황화수소 시료를 2개의 다이아몬드 앤빌 팁 사이에 둔 뒤에, 절대영도로 시스템을 냉각시키면서 전극을 이용하여 황화수소의 전기저항이 어떻게 바뀌는지를 측정했다. 180만 대기압의 압력에서는 약 190켈빈의 온도에서 저항이 갑자기 떨어진다는 것을 그들은 발견했다. 이것은 초전도로의 전이가 일어났음을 의미한다. 연구진은 이 예상 밖의 ‘임계’ 온도는 황화수소가 비교적 많은 수의 수소 원자들을 포함하는 분자들로 붕괴된 것 때문이라고 생각한다. 이러한 분자들은 이 온도까지 초전도성을 유지할 것으로 예상되곤 했다고 그들은 말했다. 연구진은 자신들의 고온 초전도 주장을 뒷받침하는 여러 증거들을 보고했으며, 그 중에는 무거운 중수소화 황을 수소화 황으로 바꾸었을 때에는 훨씬 더 낮은 전이온도(90 K)가 관찰되었다는 것도 포함된다. 무거운 원자들이 결정의 진동을 늦춤으로써 초전도를 방해할 것이라고 그들은 지적했다. 다른 연구팀에 의해 확인된다면, 이번 결과는 전자들과 결정진동 사이의 상호작용을 통해 얻을 수 있는 임계온도를 엄청나게 증가시킨 것이 될 것이다. 마그네슘 다이보라이드(magnesium diboride)에서 얻어진 현재의 기록은 39켈빈이다. “에레메츠와 동료들의 강력한 논거 확립 여부에 관해서 말하자면, 이 논문에서 잘못된 것은 아무것도 볼 수 없으며, 논문을 읽은 다른 사람들도 마찬가지일 것이다. 이 연구는 초전도 학계에 소동을 일으켰다”고 응집물질 물리학자이자 ‘W2agz Technologies’사의 사장인 폴 그란트(Paul Grant)는 말했다. “이 결과는 초전도 연구에서 대단히 중대한 돌파구이지만 지금으로서는 조심스럽다”고 올드도미년대(Old Dominion University)의 이론가인 알렉산더 구레비치(Alexander Gurevich)는 말했다. 이번 논문의 저자들은 마이스너 효과(Meissner effect)라고 알려져 있는 초전도성의 특징들 중 하나를 아직 증명하지 못했다. 마이스너 효과는 재료가 초전도 상태로 냉각되면서 자기력선들을 배출하는 효과이다. “다른 연구팀들이 이 연구에 자극을 받아서 신속히 이 실험을 재현하기를 바란다”고 그는 말했다. 이 연구의 실질적인 활용성은 탄소 기반의 풀러린(fullerenes)이나 방향족 탄화수소와 같은 다른 수소포함 재료에서 높은 임계온도를 발견하는 것이 이제는 가능할지도 모른다는 점이라고 에레메츠와 동료들은 말했다. 높은 압력을 인가하는 대신 소량의 다른 원소에 섞음으로써 이러한 재료들이 초전도체로 바뀔지도 모른다고 그들은 말했다. 하지만 응용 가능성을 고려하기에는 아직 너무 이르다고 카바는 경고했다. “다른 수소화물들에서는 주변 압력에서 그와 같은 일이 일어날 것인지의 여부는 가장 고려되지 않는 의문”이라고 그는 말했다. 1_16552.jpg http://www.nature.com/news/superconductivity-record-breaks-under-pressure-1.16552