자기 저장에서 연안 해풍 터빈에 이르기까지 환경을 파괴하지 않고 유지될 수 있는 차세대 에너지 시스템의 성공은 에너지 손실없이 전류를 운반할 수 있는 초전도체에 달려있다. 그러나 이런 초전도 시스템은 비효율적인 냉각 방법과 고비용으로 어려움에 봉착해 있으며 이런 초전도 물질의 거동을 관장하는 기본적인 물리의 이해 부족으로 어려움에 놓여있다. 이제 미국 에너지부 소속, 브룩하벤 국립 연구소와 다른 연구소의 공동 연구진은 예상하지 못한 거동이 고온 초전도체의 비밀을 풀 수 있는 해결 방안이 될 수 있다는 것을 발견하였다.

이제 미국 에너지부 산하 브룩하벤 국립 연구소와 다른 연구기관은 공동으로 고온 초전도체의 비밀을 풀 수 있는 핵심이 되는 예상하지 못한 거동을 발견하였다. 온도 증가는 항상 초전도의 작동을 멈추게 하지만, 새로운 연구는 극도로 낮은 온도도 비슷한 초전도 작동의 멈춤을 일으키는 구조적 결함을 생성시킬 수 있다는 것을 밝혔다. 이런 관측은 언젠가 과학자들이 저렴하고, 고용량의, 실온 초전도체의 제작을 가능하게 하는데 실마리가 될 수 있을 것이다. 이들의 연구 결과는 네이처 재료(Nature Materials)에 발표되었다.

초전도체는 일반적으로 시료의 온도가 내려가면 더욱 안정적이 된다고 브룩하벤 연구소의 응집 물리 및 재료과학 분과의 이반 보조빅(Ivan Bozovic)은 말하였다. 그는 논문의 공저자이기도 하다. 그는 특정한 물질에서 가장 낮은 온도에서 초전도체가 실제로 완전히 사라져서 매우 놀랐다고 말하였다. 이른바 고온 버전이라고 불리는 고온 초전도체도 잘 조절되는 환경에서 나타난다. 너무 따뜻하거나 결함이 있다면, 초전도 물질은 절연체 또는 반도체로 변하며 원하는 초전도 특성을 잃게 된다. 보조빅의 연구팀은 초전도-절연체 전이로 알려진 산화구리 물질에서 이런 변환이 발생하는 흥미로운 공간을 정확하게 조사하였다.

이런 예상되지 못한 특이한 고온초전도체 전이는 실제로 익숙한 스토브톱 거동을 따른다. 물이 끓게 되면, 액체는 순간적으로 가스로 변환되지 않는다. 대신에 변환은 점차적으로 발생한다. 주전자 바닥을 따라, 개별적인 버블이 발생하며 열이 증가하면서 버블 발생 빈도가 증가하고 점차적으로 완전히 끓게 되는 것이다. 이런 전이 동안에, 간헐적이고 고립된 물체의 증기 상을 포함하고 있어도 대부분의 물은 액체 형태로 남아 있게 된다.

비슷하게 초전도 섬(superconducting island)은 초전도체-절연체 전이 근처에서 큐프레이트(cuprate) 절연체 안에서 간헐적으로 나타나고 급속하게 사라진다. 이런 특이하고 연결되지 않은 버블들은 초전도 변동이라고 불린다. 이런 변동이 일어나고 사라지는 정확한 조건을 이해하는 것은 잘이해하지 못하고 있는 현상의 기본적인 특성을 알 수 있게 해준다. 전기가 흐르는 물처럼 움직인다고 생각해보자. 전극 사이에 흐르는 전류는 언덕 아래로 흘러 내리는 강의 움직임에 비유된다. 이런 비유에서, 큐프레이트는 마치 엔지니어들이 운하가 물을 부드럽게 운반하는 것처럼 전류를 가능하면 효율적으로 운반할수 있도록 디자인된 맞춤형 채널 역할을 한다.

만약에 운하가 잘 건설되지 않았다면, 갑작스럽고 삐죽삐죽한 구멍들로 가득차 물의 수위가 직접적으로 물의 흐름에 영향을 미칠 것이다. 많은 물의 양은 급류로 인한 난류가 있어도 연속해서 흐를 것이다. 그러나 물의 수위가 특정한 임계값 이하로 떨어지면, 물의 흐름은 운하의 구멍에 의해서 방해를 받고 느려지다가 완전히 정지할 것이다. 이런 고온 초전도체 실험에서, 과학자들은 큐프레이트 운하의 구조를 찾아내기 위해 전류의 흐름을 측정하였다. 물의 양은 시스템에서 전자의 밀도에 해당한다고 보조빅은 말하였다. 보조빅은 전류 밀도를 그의 원자 층간 분자 빔 에피탁시(molecular beam epitaxy) 합성 기술로 미세하게 조율할 수 있었다.

박막은 원자 수준으로 부드럽지만, 그것들은 고의로 만들어진 결함을 포함하고 있다. 이런 결함은 전자의 흐름을 포획하는 구멍 같은 역할을 하여 전자를 움직이지 못하게 한다. 전자를 포획하는 트랩은 항상 존재하지만, 전자들은 단지 극도로 낮은 온도에서만 갇히게 된다고 보조빅은 말하였다. 이런 거동은 전자 국재화로 불리는 것으로 , 이 거동은 전자 국재화라고 불리며 재료를 절연체로 만든다. 그러나 일부 열로, 전자들은 충분한 운동 에너지를 얻고 정공에서 튀어나와 금속 전도도를 유지한다고 보조빅은 덧붙였다. 이런 거동을 더 조사하여, 연구진은 변동이 슈퍼-냉각 임계점 넘어서 사라진다는 것을 발견하였을 뿐만 아니라 포회 패턴이 각 테스트에서 미묘하게 변한다는 것도 발견하였다.

저항은 온도에만 의존하는 것이 아니라 물질의 자체 히스토리 기억에도 의존한다는 것을 발견하였다. 전자가 이전에 어디에서 포획되었는지에 대한 기억 현상은 히스테리시스(hysteresis)라고 불리는데 초전도-절연체 전이 메커니즘이 전자 국재화에 연결되었다는 것을 강하게 암시하는 것이다. 초전도체 변동의 거동과 원인을 이해하는 것은 초전도가 어떻게 발생하고 그것을 어떻게 멈추게 하는지에 대한 이해를 크게 높여줄 수 있을 것이라고 보조빅은 말하였다. 이런 이해는 반대로 새롭고 더 좋은 초전도체를 디자인하고 발견하는 기회를 향상시켜 줄 것이다.

첨부그림: 미국 브룩하벤 연구소 물리학자들은 분자빔 에피탁시 시스템을 이용하여 원자 수준의 정밀도로 초전도체 물질을 제작할 수 있게 되었다.