[물리] 초전도성의 이해

 

 

과학자들이 손실 없이 전기를 운송할 수 있는 에너지 효율적인 재료인 새로운 형태의 구리 기반 고온 초전도체(high-temperature superconductor)를 발견한 후 20년 이상이 지난 최근 하버드 물리학자들은 황철광(fool’s gold) 상을 조절할 수 있는 화학적 열쇠를 확인할 수 있었다. 하지만, 이러한 상이 초전도성의 장점만을 갖고 있는 것은 아니다.

슈도갭(pseudogap)으로 불리는 상을 보다 명확히 이해하기 위해 연구진은 초전도성 재료를 생성하는데 있어 구리 기반 세라믹에 첨가되어야 하는 중요한 원소인 산소 원자가 재료의 결정 구조에 위치한 장소를 연구하기 시작하였다. Science에 보고된 이번 연구 결과는 산소 자체가 아니라 산소가 부족하게 되면 슈도갭에 강하게 연관된다는 것이다. 이를 통해 보다 높은 온도에서 초전도체로 동작하는 재료를 디자인하는데 있어 어떠한 요소가 고려되어야 하는지를 이해할 수 있게 되었다.

중요한 결과는 국부적인 슈도갭을 조절할 수 있는 화학적 방식을 우리가 가지고 있다는 것이다. 목표는 구리 기반의 초전도체를 이해한 후 보다 높은 온도에 도달하는 것이다. 연구진은 언젠가 상온 초전도체도 가능할 수 있다는 긍정적인 생각을 갖고 있지만, 이는 여전히 수 십 년이 지난 다음에야 이루어질 것으로 생각하고 있다.

1988년 발견된 구리 기반의 재료인 Bi2Sr2CaCu2O8+x (비스코로 불림)는 고온 초전도체를 형성하는데 있어 핵심 요소 중 하나이다. 특이한 성질을 갖는 검은색 재료인 비스코는 초전도체로 동작할 수 있지만, 이들의 유용한 성질은 몇 가지 문제점으로 인해 퇴색되었다. 예를 들어 비스코는 연성을 갖지 않고, 자기장에서 동작이 떨어지며, 재료의 특정 방향에서만 전류를 흘릴 수 있다.

결론은 기술적 한계에도 불구하고 구리 기반의 초전도체는 우수하며, 최초로 발견되었을 때 초전도체 연구 분야의 새로운 활력소이었음은 자명하다. 이러한 관점에서 보다 우수한 재료가 어딘가에 존재한다고 생각하고 있지만, 우리는 이를 어떻게 얻을 수 있을지 명확하게 이해하지 못하고 있다.

20여년 동안 많은 연구가 초전도성을 갖고 있는 재료에 존재하는 전자 에너지 준위의 특이한 재정렬인 슈도갭에 집중되어 왔었다. 두 가지 이유로 인해 이러한 슈도갭을 이해하기 위한 많은 연구가 진행되었다. 하나는 이러한 슈도갭이 실제로 초전도성이라는 생각이며, 또 다른 이론에 의하면 슈도갭이 초전도성을 얻기 위해 극복되어야만 하는 경쟁적인 상이라는 것이다.

초기 연구 결과에 따르면, 산소 도펀트(dopant)와 슈도갭 사이의 연결고리가 확인되었지만, 재료에 존재하는 산소 도펀트의 1/3만을 이미징할 수 있었기 때문에 완벽하게 정의될 수 없었다. 따라서 연구진은 전체 형태를 확인하기 위해 재료의 원자 수준 이미지를 포집할 수 있도록 디자인된 장비에서 에너지 영역을 끌어 올렸다.

주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)은 시료 표면에서 수 옹스트롱 떨어져 바늘형태의 팁을 위치시켜 동작한다. 팁과 시료 사이에 흐르는 전류를 측정함으로써 연구진은 재료에 존재하는 개별 원자를 이미징할 수 있었다. 하지만 디바이스를 이용하는 것은 중요한 기술적 도전과제를 수반하였다.

연구진의 생각은 컴퓨터 하드 드라이브의 읽기 헤드가 동작하는 것과 유사하게 표면을 가로질러 스캐닝할 때 팁이 일정한 거리를 유지하는 것이다. 도전과제는 옹스트롱은 매우 작은 크기 수준이기 때문에 진동을 완벽하게 차단해야 한다는 점이다.

현미경 팁을 35제곱나노미터의 영역에 6시간 동안 천천히 스캐닝함으로써, 연구진은 상부에서부터 3층의 원자층에 존재하는 산소 도펀트의 지도를 형성할 수 있었다. 연구진은 이러한 지도를 슈도갭의 국부적인 세기를 나타내는 데이터와 비교하였을 때 놀라운 사실을 확인할 수 있었다.

계면 사이의 산소 원자, 즉 초전도 성질을 부여하기 위해 금속에 의도적으로 첨가된 어떠한 도펀트에 연관된다기 보다는 슈도갭은 구리 원자에 인접한 위치로부터 산소 원자를 제거함으로써 야기된 재료에 존재하는 결함과 연결되는 것으로 보인다.

산소 계면과 공백 모두를 동시에 관찰할 수 있었던 것은 최초의 사례이다. 연구진은 산소 위치를 슈도갭의 세기와 연관시킬 수 있었으며, 최초로 슈도갭에 영향을 미치는 정확한 화학 작용을 설명하였다. 또한 그들은 지난 15년 동안 연구를 진행함으로써, 물질을 조절하기 위한 화학적 방식을 파악할 수 있었다.

현재 연구진은 슈도갭의 발생 원인을 이해하기 위한 연구를 진행 중이다. 그들은 현미경의 공간 해상도를 피코미터 수준으로 향상시킬 수 있는 알고리즘을 개발하였고, 이러한 해상도를 이용하여 슈도갭의 가능한 이유를 제거할 수 있을 것이다. 즉, 결정의 변환 대칭(inversion symmetry)을 깨뜨리는 작은 구조적 왜곡 등이다.

연구진은 슈도갭이 초전도성과 경쟁적인 관계를 갖고 있다고 생각하기에 많은 관심을 가지고 있다. 이러한 생각이 틀릴지라도 정확한 특성을 파악하고, 어떻게 조절할 수 있는지를 파악하는 것은 매우 중요하다.

[그림]
초전도체 내에 현미경 사진