초전도 나노 와이어 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-21

중국과학원 허페이(合肥) 물질과학 연구원 산하 ‘강한 자기장 과학 센터’ 톈밍량(田明亮) 연구원 연구팀은 최근 장창진(張昌錦) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하여 ‘단결정 초전도 나노 와이어의 초전도체-절연체 변환 연구’에서 혁신적인 연구성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.연구팀의 관련 연구 성과는 미국 화학학회 학술지인 Nano Letters에 발표되었다. 장기간 준(準) 1차원 초전도체의 초전도-절연체 변환(SIT) 연구는 과학기술계의 높은 관심을 받아 왔으며 많은 과학자들이 관련 연구를 실행해온 상황이다. 하지만 SIT라는 이런 변환 메커니즘에 대해 과학자들은 지금까지 많은 논쟁을 하고 있는 상황이다. 과거 연구 과정에서 국제적으로 대부분 열 증발 방법을 이용하여 나노 리본을 개발하였는데, 이런 연구는 기본적으로 단일 원소 혹은 2원 합금 초전도체 재료에 대한 연구로서, 다양한 형태의 나노 와이어(입자 상태, 다결정, 비정질 등)는 완전히 다른 SIT 변환 과정에 속하는 것으로 나타났다. 단결정 초전도체 나노 와이어를 이용한 본질 특징의 SIT 연구는 다양한 형태의 나노 와이어가 완전히 다른 SIT 변환 과정에 속하는 현상을 해석한다. 하지만 단면적에 대한 제어가 가능한 단결정 초전도 나노 와이어 개발은 매우 어렵기 때문에 국제적으로 줄곧 뚜렷한 연구개발 성과를 취득하지 못한 상황이다. 최근 톈밍량(田明亮) 연구원 연구팀은 관련 실험을 통해 SIT는 나노 외이어 단면적을 통해 제어되고, 현재 일반적으로 인식되고 있는 정상적인 상태의 전기 저항이 한 개 보편적으로 적용되는 양자 전기 저항 수준에 도달하여 제어되는 것이 아니라는 점을 발견하였다. Nb2PdS5는 최근 발견된 일종 신형 준 1차원 초전도체로서 이런 초전도체의 결정체는 준 1차원 금속 체인 스태킹(stacking)으로 형성되었으며 초전도체 변환 온도는 7.5K 수준에 달하기 때문에 준 1차원 초전도체 전자 구조를 연구하는데 있어서의 이상적인 시스템으로 된다는 평가를 받고 있다(Yu et al., JACS 135, 12987 (2013)). 연구팀은 관련 연구를 통해 지름이 비교적 두꺼운 나노 와이어(~300nm)라 해도 1차원 전송 특징을 나타낸다는 점을 발견하였다. 예를 들면, I-V 곡선 상에서 길이와 관련된 계단 등이 나타나고 있는 상황이라는 점을 발견하였다. 연구팀은 관련 연구를 통해 나노 와이어가 점차 300nm 수준에서 100nm 수준으로 감소됨에 따라 나노 와이어 초전도성은 점차 약화되고 최종적으로 절연체로 변화하게 된다는 점을 발견하였다. 흥미로운 점은 SIT가 나타날 때 나노 와이어 지름은 이론적으로 기대하는 초전도 간섭 길이(~5.4nm)를 대폭 초월할 뿐만 아니라 변환 전의 정상적인 상태 전기 저항도 이론 기대의 양자 전기 저항보다 작은 수준에 도달한다는 점이다. 하지만 자기장이 구동될 때 초전도체 나노 와이어도 SIT와 유사하게 변환하게 된다. 이런 나노 와이어의 초전도체 변환 과정은 양자 간섭 이동(QPS) 터널링 행위를 나타내지 않고 열에 의해 활성화된 위상 시프트 이론(TAPS)으로 기술할 수 있게 된다. 이런 결과는 준 1차원 시스템 속에서 사이즈 수축으로 인해 쿨롱 상호 작용(Coulomb interaction)과 금속 체인 사이의 조셉슨 상호 작용(Josephson interaction) 간의 경쟁이 SIT 속에서 매우 중요한 역할을 발휘한다는 점을 의미하고 있다. 연구팀의 관련 연구 결과는 초전도체 나노 와이어 위상 변화 과정 및 실제 응용 과정에서 초전도체 전자 장치 개발을 위한 중요한 정보를 제공해 주고 있다. 이번 연구는 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용, 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 그림 1. (a) Nb2PdS5 결정체 구조도임. (b) Nb2PdS5 단결정 나노 와이어의 SEM 이미지임. (c) Nb2PdS5 단결정 나노 와이어의 TEM 이미지임. (d) Nb2PdS5 단결정 나노 와이어 고 해상도 TEM 이미지 및 회절 반점임. 그림 2. 단일 Nb2PdS5 나노 와이어 상에서 다양한 길이의 전도 루트 V-I 곡선이 온도와 자기장 변화에 따라 변화되는 상황을 표시함. 그림 3. 다양한 단면적 Nb2PdS5 나노 와이어 전기 저항이 온도의 변화에 따라 변화하는 곡선으로서 나노 와이어 단면적이 감소됨에 따라 나노 와이어 초전도성이 점차 약화되는 동시에 최종적으로 절연체로 변화하는 상황을 표시함. 20150120.jpg 20150120-1.jpg 20150120-2.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150119_4301776.shtml