새로운 철 기반 초전도체 재료 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-23

중국과학기술대학 천셴후이(陳仙輝) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 이번 연구를 통해 일종 새로운 철 기반 초전도체 재료(Iron based superconductor materials)인 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe를 발견하였는데 이런 재료의 초전도 변환 온도가 40K 이상 수준에 달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 미국 국가 표준기술 연구소 중성자 연구센터의 황칭전(黃淸鎭) 박사 및 중국과학기술대학 우타오(吳濤) 교수 연구팀과 협력하여 이런 신 재료의 결정체 구조를 확정한 동시에 초전도성 및 반강자성(Antiferromagnetic)이 동시에 존재한다는 점을 발견하였다. 이런 새로운 초전도체의 발견은 더욱 높은 초전도 변환 온도를 보유한 신형 철 기반 초전도체에 대한 탐색을 위해 중요한 아이디어를 제공하고 있다. 동시에 고온 초전도체의 메커니즘 연구를 위해 새로운 재료 시스템을 제공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 지난 12월 15일 네이처 자매지인 `네이처 머터리얼스(Nature Materials)`에 게재되었다. 철 기반 고온 초전도체는 현재 응집물질물리 분야 연구 이슈로 되고 있다. 철 기반 고온 초전도체 메커니즘에 대해 과학자들은 아직 완벽한 해석을 하지 못한 상황이며 FeSe 유형 초전도체는 다양하고 독특한 특성을 보유하고 있기 때문에 철 기반 초전도체 메커니즘에 대한 연구에서 이상적인 재료 시스템이 되고 있다. 특히 최근 보도되고 있는 SrTiO3 기판 상에서 성장하는 FeSe 단일 층 박막의 제로 전기저항 전이 온도는 100K 이상 수준에 달하고 있기 때문에 동 시스템에 대한 과학자들의 더욱 높은 관심을 불러 일으키고 있는 상황이다. 하지만 FeSe 유형 초전도체 재료 분야에서 현재 연구가 비교적 폭넓게 진행되고 있는 AxFe2Se2 (A=K, Rb, Cs) 시스템에는 심각한 위상 분리 문제가 존재하고 반강자성 절연 위상과 초전도체 위상의 공동 생성은 이런 유형 재료의 구조와 특성을 매우 복잡하게 하기 때문에 FeSe 유형 초전도체 재료로 하여금 내재적인 물리를 매우 어렵게 하고 있는 상황이다. FeSe 단일 층 박막 및 액체 암모니아 등 저온 액체 상 삽입 층 방법으로 합성한 Lix(NH2)y(NH3)1-yFe2Se2 등 화합물은 공기 속에서 극히 불안정적이기 때문에 물리 특성에 대해 심층적인 연구를 실행할 수 없는 상황이다. 철 기반 고온 초전도체의 물리 메커니즘에 대해 더욱 심층적인 연구를 실행하기 위해 높은 초전도체 전이 온도를 보유한 동시에 공기가 안정적이고 물리 측정에 적합한 새로운 FeSe 유형 초전도체 재료에 대한 탐색이 필요한 상황이다. 천셴후이(陳仙輝) 교수 연구팀은 최초로 수열(水熱) 반응 방법을 이용하여 일종 새로운 초전도체 재료인 (Li0.8Fe0.2)OHFeSe를 발견하는데 성공하였으며 동 재료의 초전도체 전이 온도는 40K 이상 수준에 달하는 것으로 나타났다. 연구팀은 X-레이 회절, 중성자 산란 및 핵 자기 공명 세 가지 기술 수단과의 결합을 통해 동 재료의 결정체 구조를 확정하였다. 동 재료는 FeSe 층과 (Li0.8Fe0.2)OH층이 c 방향을 따라 교체 적층을 통해 형성되었으며 FeSe 층과 (Li0.8Fe0.2)OH 층 사이는 극히 미약한 수소 결합과 연결되어 있는 것으로 나타났다. 그 외, 연구팀은 동 구조 중에서 심각히 왜곡된 FeSe4 4면체가 초전도체에 유리하다는 점을 발견한 동시에 이런 상황은 FeAs 유형 초전도체 속의 완벽한 FeAs4 4면체가 초전도체에 유리한 상황과 완전히 다르다는 점을 발견하였다. 동시에 열 비교, 자화율(Magnetic susceptibility), 핵 자기 공명 데이터를 통해 이런 새로운 초전도체 재료는 저온 ~8.5K에서 반강자성 순서를 보유하고 있을 뿐만 아니라 초전도체 특성과 공동으로 존재하고 있다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 최초로 수열 방법을 이용하여 FeSe 유형의 신형 고온 초전도체 재료를 발견함으로써 관련 시스템을 이용한 새로운 초전도체 탐색을 위해 혁신적인 아이디어를 제공해 주고 있다. 연구팀이 개발한 새로운 초전도체는 높은 초전도체 전이 온도, 공기 속에서의 안정성 등 강점을 보유하고 있기 때문에 한층 더 심층적인 실험 연구 실행을 가능할 수 있게 한 동시에 철 기반 고온 초전도체의 내재적인 물리 메커니즘 해석을 위해 이상적인 재료 시스템을 제공해 주고 있다. 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 중국과학원의 ‘전략적인 선행 과학연구 B유형 전문 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 그림 1. (Li0.8Fe0.2)OHFeSe 초전도체의 결정체 구조(좌측) 및 자화율(Magnetic susceptibility) 곡선(우측)임. 20141222.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141217_4277064.shtml