최근 스탠포드 선형 가속기 센터(Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) 및 스탠포드대 연구진은 복잡합 구리 산화물(copper oxide)이 고온에서 어떻게 전기 저항을 잃게 되는지를 이해하는데 있어 중요한 연구 결과를 확인할 수 있었다.

연구된 재료는 고온 초전도체(high-temperature superconductors)로서 섭씨 -100도 이하로 냉각되면 어떠한 저항도 갖지 않고 완벽하게 전기를 통하는 특성을 가진다.

Proceedings of the National Academy of Sciences에 보고된 이번 연구 결과는 전자가 구리 산화물 초전도체 내에서 자체적으로 정렬되는 복잡하고 특이한 방식을 설명하고 있다. 연구진은 초전도성에 이상적인 조성과 온도 영역에 대해 구리 산화물의 완벽한 상 다이어그램(phase diagram)을 생성할 수 있었다.

초기 실험 결과들은 소위 슈도갭 상(pseudogap phase)으로 불리는 비초전도성 거동이 큐프레이트(cuprate) 초전도체 내에서 발생할 수 있다는 것을 입증하였었다. 한편 이번 연구에서 과학자들은 이러한 슈도갭 상이 실제로 다양한 온도와 조성 범위에서 초전도성 상과 공존하고 경쟁한다는 것을 발견할 수 있었다.

슈도갭은 고온 초전도성에서 가장 큰 미스터리 중 하나이다. 연구진은 슈도갭을 통해선 초전도성의 시작이 인지되지 않을 것으로 생각하였었다. 그러나 온도가 감소함에 따라 초전도성은 실제로 슈도갭 상을 억제하였다.

슈도갭과 초전도 상 간의 경쟁에 대한 세부사항을 통해 상온 이상에서 동작하는 새로운 초전도 재료를 생성하기 위한 최종 목표 실현에 보다 근접하게 되었다.

큐프레이트에서 고온 초전도성이 발견된지 25년이 지난 상황에서 이번 실험을 통해 지금까지 알려지지 않았었던 상 다이어그램의 중요한 측면이 도출되었다. 상 다이어그램은 물질을 이해하는데 있어 근본적인 것이기 때문에 이번 연구 결과는 발전을 위한 중요한 초석이 될 것이다.

큐프레이트 초전도체의 복잡한 전자 구조로 인해 전기 저항이 어떻게 소실되는지를 정확히 알기 어려웠으며, 상온 이상에서 초전도성이 발생되도록 재료를 어떻게 변화시킬지를 파악하는 것이 불가능하였다.

한편, 연구진은 전자 상호작용을 이전보다 상세하게 관찰할 수 있는 각 해상 광방출 분광 기술(angle-resolved photoemission spectroscopy)을 개발하였다. 슈도갭의 성질과 초전도 상태를 파악하기 위해 연구진은 초전도 큐프레이트의 구성요소인 비쓰무쓰, 스트론티움, 칼슘 조성을 변화시켜 수 백 가지의 실험을 진행하였다.

추가 연구는 슈도갭 상의 정확한 전자 거동 그리고 초전도 상과의 경쟁을 파악하고, 구리 산화물에서 초전도성을 형성하기 위해 어떻게 전자가 짝을 이루어야 하는지를 결정하는 것이다.

[원문]
www.pnas.org/content/109/45/18332.full.pdf+html