고온 초전도체에서 유사갭의 역할

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

과학자들은 처음으로 유사갭(pseudogap)이라고 알려진 신비한 물질의 상이 고온 초전도체와 경쟁한다는 첫 증거를 발견하였다. 이런 유사갭은 전자쌍을 이룰 수 있는 전자를 빼내 물질이 100%의 효율로 초전도가 되는 것을 방해한다. 이 결과는 스탠퍼드 대학과 미국 에너지부 소속 SLAC의 국립 가속기 연구소의 연구진에 의해서 얻어졌으며, 마침내 유사갭이 초전도 현상에 도움이 되는지 방해가 되는지를 밝혀낼 수 있게 되었다. 이 새로운 연구에서 유사갭이 더 높은 온도에서 초전도체가 작동하는데 방해를 하는 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 이들의 연구 결과는 Nature Materials 저널에 발표되었다. 즉, 유사갭 상이 초전도체와 경쟁하며 초전도체를 억제한다는 것이다. 만약에 이런 경쟁을 제거시키거나 더 잘 다룰 수 있다면, 이런 초전도체의 작동 온도를 높이는 것이 가능해질 것이다. 실험에서 이들 연구진은 각분해 광방출 분광기라고 불리는 기술을 이용하여 구리 산화물 물질로부터 전자를 방출시켰다. 이 물질은 비교적 높은 온도의 초전도 현상을 보여준다. 그러나 영하 135도의 온도로 냉각시켜야만 이런 초전도 현상이 나타난다. 방출된 전자들의 에너지와 운동량 정보는 이 전자들이 물질 안에 있을 때 어떤 거동을 하는지를 알려준다. 예를 들어, 금속 안에서 전자들은 원자 주위를 자유롭게 돌아다닌다. 절연체에서, 그것들은 원자에 고정되어 있다. 그리고 초전도체에서, 전자들은 그들의 보통 위치에서 벗어나 저항이 0이 되도록 쌍을 이루어 전기를 전달한다. 1990년대 중반, 과학자들은 구리 산화물 초전도체에서 혼란스러운 갭을 발견하였다. 이 유사갭은 초전도 전자들에 의해서 남겨진 것과 닮았지만, 그것은 초전도체가 발생하기에는 온도가 너무 높았다. 이런 상태가 어디에서 발생되었는지에 대한 연구가 진행되었다. 이것은 복잡하고 밀접한 관련이 있다. 이런 두 현상은 동일한 원인을 공유하지만 궁극적으로 배타적이라고 연구진은 말하였다. 만약에 유사갭이 우세하다면, 초전도는 약하게 되는 것이다. 이들 연구진은 각분해 광방출 분광기를 이용하여 유사갭을 조사하였으며 움직이는 전자로부터 더 많은 정보를 얻기 위해 이 기술을 발전시켰다. 최근의 연구에서, 이들 연구진은 물질이 초전도 상태로 바뀔 때 어떤 일이 발생하는지를 정확하게 밝혀낼 수 있었다. 이들 연구진은 전자들의 에너지와 운동량뿐만 아니라 다양한 온도 범위에서 특정한 에너지를 가진 물질에서 나오는 전자들의 개수도 측정할 수 있었다. 또한 다양한 방식으로 변하는 물질의 전자 구조 특성도 측정할 수 있었다. 이들 연구진은 전이 온도에서 유사갭과 초전도가 전자들에 대해서 경쟁적이라는 강한 증거를 발견하였다. 다양한 연구진에 의한 이론 계산은 이런 복잡한 관계를 재생하였다. 유사갭은 초전도 상태로 가고자 하는 경향을 가로막는다고 연구진은 말하였다. 과학자들은 아직도 유사갭을 발생시키는 원인을 잘 모른다. 이것은 초전도 연구 분야에서 가장 중요한 질문들 중 하나로 남아 있다. 그 이유는 유사갭이 더 높은 온도에서 초전도가 작동하는 것을 방해한다는 것이 분명하지만 왜 그런지에 대한 이유를 정확하게 모르기 때문이다. 그러나 이들의 연구 결과로 이에 대한 연구 방향을 설정할 수 있을 것으로 보인다. 이제 이들 연구진은 유사갭과 초전도 사이의 경재을 이론적 측면에서 모델링할 수 있게 되었다. 또한 시뮬레이션을 사용하여 다양한 특성을 재현하고 시뮬레이션의 변수를 변경하여 유사갭에 대한 이해를 높이고 있다고 연구진은 말하였다. 경쟁은 유사갭과 초전도 상태 사이의 관계에서 단 하나의 측면이며 유사갭이 초전도 발생을 위해 필요한지에 대한 더 심오한 질문도 있을 수 있을 것이라고 연구진은 덧붙였다. 첨부그림: 고온 초전도체와 유사갭이라고 불리는 신비한 상 사이의 복잡한 관계를 보여주는 그림. 구리 산화물은 최적의 전자 개수가 제거되면 초전도체가 된다. 이때 양으로 대전된 정공이 남으며 물질은 전이 온도(청색 곡선) 이하로 냉각된다. 이것은 남은 전자(황색)이 쌍을 이루게 만들고 전류를 100% 효율로 흐르게 한다. SLAC의 실험은 처음으로 유사갭이 더 낮은 정공 밀도의 더 광범위한 온도 영역에서 전자들이 초전도체와 경쟁한다는 첫 증거를 보여주었다. 더 낮은 온도와 더 높은 정공 밀도에서, 초전도체가 우세하게 된다. 2-firstdirecte.jpg http://phys.org/print338383114.html