[R&D르네상스] 초전도 현상 규명 새로운 이론 개발
[R&D르네상스] 초전도 현상 규명 새로운 이론 개발
  • 박소연 기자
  • 승인 2021.09.01 15:10
  • 댓글 0
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ETRI, 임계온도 공식’만들어 저온-고온-상온 초전도 현상 모두 설명
30여 년 연구로 금속-절연체 전이와 초전도 분야 융합
박소연 기자 psy@monthlypeople.com
박소연 기자 psy@monthlypeople.com

국내 연구진이 1911년 발견된 이후 원리를 규명하지 못한 초전도 현상의 이론을 독자적으로 개발하는 데 성공했다. 이로써 초전도 현상 관련 연구를 더욱 활발하게 만들고 응집물질물리학을 발전시키는 데 큰 도움이 될 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 기존 이론들과 금속에서 전자 간 상호작용 현상을 활용하여 초전도 현상을 설명할 수 있는 공식을 개발해 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되었다고 밝혔다.

 

초전도 현상은 특정 온도나 압력에서 저항이 영(0)이 되는 현상을 말한다. 초전도 현상을 응용하면 에너지 손실을 대폭 줄일 수 있어 주로 MRI, 초전도 케이블, 자기부상열차에서 쓰이고 있으며, 미래에는 양자 컴퓨터, 진공튜브열차 등에서 많은 활용이 이뤄질 것으로 예측된다.

초전도 현상이 일어나는 임계온도가 30K 이하인 물질은 저온 초전도체, 30K 이상 구리(Cu)계 물질은 고온 초전도체, 임계온도가 15~25인 물질은 상온 초전도체로 분류된다.

초전도 현상이 발견되고 활용된 지는 오래되었지만, 아직도 현상이 일어나는 원리를 온전히 규명하지는 못했다. 1972년에 노벨 물리학상을 받은 BCS 이론도 저온 초전도 현상의 원리를 설명하지만, 공식이 완전하지 못하고 고온이나 상온은 설명하지 못한다는 한계가 있었다.

또한, 저온과 고온에서 초전도 현상을 측정하는 데 주로 사용하는 액체 헬륨은 매우 비싸고 액체 질소는 상대적으로 싸고 쉽게 얻을 수 있으나 조건을 충족하는 환경을 유지하는 비용이 매우 많이 든다.

이에 상온 초전도체를 찾고 그 현상을 설명하기 위해 큰 노력이 이뤄지고 있다. 특히, ‘초전도 현상의 임계온도를 저온에서 상온까지 모두 설명할 수 있는 이론을 개발하는 것은 물리학자들의 숙원이었다.

 

김현탁 ETRI 연구 전문위원은 기존 이론들을 응용하는 한편, 초전도 현상이 일어나기 전 금속에서 전자끼리 매우 큰 전자 상호작용이 이뤄지는 것을 보고 초전도 현상이 일어나는 임계온도를 설명하는 공식을 만들었다.

 

초전도 현상을 설명할 수 있는 임계온도 산출 공식 Ⓒgettyimagesbank
초전도 현상을 설명할 수 있는 임계온도 산출 공식 ⒸETRI

연구진이 개발한 공식은 저온, 고온, 상온 등 온도에 상관없이 온도와 압력 조건에 따라 물질의 초전도 현상이 일어나는 임계온도가 달라지는 것을 최초로 설명할 수 있다. 이는 특정 온도 범위나 조건에서만 설명이 가능했던 기존 이론에서 한 단계 발전을 이룬 셈이다.

ETRI 김현탁 전문위원은 금속-절연체 전이(MIT) 분야를 꾸준히 연구하면서 EBR 이론을 만들고 학계에서 거듭 발표되는자유전자의 유효질량 발산실험 데이터를 이 이론으로 설명해 왔다.

202010, 학계에 고압 조건에서 수소화합물에서 상온 초전도 현상을 보이는 연구 논문이 발표되었다. 이때 임계온도가 상온에서 압력에 따라 증가하는 발산 형태를 띠는 것을 보고 기존 BCS 이론의 미완성 부분을 EBR 이론과 결합하며 본 성과를 냈다.

 

(a) 초전도 현상→ 임계온도 이하에서 저항이 0이 됨. 현상이 깨지면 다시 저항을 지닌 금속 상태로 바뀜(가역적)(b) MIT(Metal-Insulator Transition) 현상→ 임계전압 이하에서 금속 전류가 흐르지 않음(Insulator, 부도체 혹은 절연체). 현상이 깨지면 다시 금속 전류가 흐름(가역적)
■ 초전도 현상 vs MIT(금속-절연체 전이)현상 비교 ■
(a) 초전도 현상→ 임계온도 이하에서 저항이 0이 됨. 현상이 깨지면 다시 저항을 지닌 금속 상태로 바뀜(가역적)
(b) MIT(Metal-Insulator Transition) 현상→ 임계전압 이하에서 금속 전류가 흐르지 않음(Insulator, 부도체 혹은 절연체). 현상이 깨지면 다시 금속 전류가 흐름(가역적)

초전도체와 절연체 (혹은 반도체)는 에너지 갭을 가지는 것이 특징이다. 절연체 갭은 매우 크고 초전도 에너지 갭은 매우 작다. 초전도는 전류가 턴낼(Tunnel)로 흐르고, 절연체는 전류가 흐르지 않거나 반도체 상태에서 여기상태(Excitation)로 전류가 흐른다. 초전도-금속 전이와 절연체-금속 전이를 물리학적으로 갭-노갭 전이(Gap-Nogap Transition)라고 한다. ⒸETRI

김 전문위원은고온 초전도 메카니즘을 풀겠다는 목표를 가지고 30여 년간 관련 연구를 꾸준히 진행해왔다. 특히, 1995년 미국 물리학회 저널에금속-절연체 전이의 불안정점2000년에는 물리학 전문저널에강상관 물질에서 자유전자의 유효질량이 발산하는 현상을 설명할 수 있는 아이디어를 내고 모트 금속-절연체-전이 현상을 최초로 실험적으로 관측한 바 있다.

김현탁 전문위원은새로운 관점의 시도가 이뤄지다 보니 기존 이론의 벽을 넘어야 하는 어려움이 컸다. 이번 논문 게재로 우리나라의 기초 물리학이 널리 인정받고 더 활성화되는 계기가 되었으면 한다.”라고 밝혔다.

 

김현탁 ETRI 연구 전문위원 ⒸETRI

이번 성과는 ETRI에서 지속해서 연구를 할 수 있는 환경과 국가 과제 지원이 있었기 때문에 나올 수 있었다는 평가를 받는다. 앞으로도 연구원은 ICT 분야에서 원천기술 경쟁력을 확보할 수 있도록 기초-창의연구를 지속하기 위한 다양한 제도와 환경을 마련하기 위해 노력할 예정이다.

 

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