카드뮴으로 고온초전도체 제어하는 기술 규명

박두선 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 카드뮴으로 고온초전도체를 제어하는 기술을 찾았다.

미래창조과학부는 박두선 성균관대학교 물리학과 교수가 주도하고 서순범 박사과정 연구원(제1저자) 등이 참여한 연구팀이 카드뮴(Cd)으로 고온초전도체를 제어할 수 있다는 사실을 규명했다고 9일 밝혔다.

초전도체는 꿈의 전선이라 불리는 초전도 케이블에서부터 자기공명장치, 자기부상열차, 초전도 소자, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 전자를 정밀하게 제어해야 하는 관련 산업 등에 응용될 수 있어 이번 성과가 주목받고 있다.

고온초전도체는 저항이 0이 되면서 전류가 손실 없이 자유롭게 흐르는 초전도현상을 보이는 물질로 통상 액체질소온도 77K(영하 196 ℃) 보다 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질을 말한다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업 지원으로 수행됐고 미국 로스알라모스 국립연구소와 공동연구로 진행했다.

연구결과는 네이처 피직스지 지난달 22일자 온라인판에 게재됐다.

비싼 액체 헬륨이 필요한 저온초전도체와 달리 가격이 저렴한 액체 질소 환경에서도 작동하는 고온초전도체는 활용폭이 넓어 차세대 신물질로 주목받고 있지만 초전도현상을 나타내는 원인은 밝혀지지 않았다.

화학물질 첨가 등을 통해 특정 조건에서 초전도현상을 유도하는 가운데 첨가 물질로 인한 효과 때문에 초전도체의 형성과정을 밝혀내는 것이 어려웠다.

연구팀은 자연적으로 초전도성을 띠는 세륨(Ce), 코발트(Co), 인듐(In) 포함 화합물(CeCoIn5)을 선택해 여기에 1% 이하의 미량의 카드뮴(Cd)을 첨가해 인듐(In) 자리에 치환한 결과 초전도 현상이 사라지는 것을 알아냈다.

미량의 카드뮴(Cd) 첨가로 쉽게 초전도 현상을 제어할 수 있게 되면 정밀한 전자제어가 필요한 초전도 산업분야에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

극저온에서 압력을 가하면 다시 초전도 현상이 회복되지만 온도 0K(영하 273 ℃)에서 압력이나 자기장 등을 변화시킬 때 열적요동이 아닌 양자요동으로 인해 나타나는 초전도나 준자성 등 고전물리이론으로 설명되지 않는 양자임계현상은 나타나지 않는 것으로 나타났다.

카드뮴이 첨가되면 주위로 저항처럼 작용하는 스핀물방울이 쏠리면서 초전도 현상이 억제되는데 다시 압력을 가해 스핀물방울을 작게 만들면 초전도 현상은 회복시킬 수 있지만 스핀물방울이 사라지지 않는다.

이러한 사실을 통해 양자임계현상이 비가역적인 반응이라는 것을 발견했다.

박 교수는 “물이 얼었다가 온도가 높아지면 다시 물로 녹듯이 극저온에서 고체상태의 전자들이 압력을 받아 액체상태로 바뀌지만 여전히 미량의 전자 불순물들이 고체상태를 유지한 결과 새로운 양자역학적 현상이 나타나는 것으로 풀이된다”고 밝혔다.