3'30" 읽기
- 1960년대에 물리학자 닐 애쉬크로프트,수소가 상온에서도 초전도 될 수 있다고 예측
- Dias, Nathan Dasenbrock-Gammon과 동료들은 1%의 질소가 첨가된 수소 가스를 사용
- 가스 혼합물을 다이아몬드 스탬프 셀의 반응실에 공급하고 얇은 루테튬 조각을 추가
- 1기가파스칼에서 +20.8도까지 상승; 상온 초전도
- 상온 초전도체 시대의 돌파구 확신

실온에서의 초전도성
질소 도핑된 수소화루테튬은 20도 1GPa(기가파스칼)에서 초전도체가 된다.

잠재적 돌파구:
처음으로 연구원들은 상온과 1GPa의 비교적 적당한 압력에서 초전도가 되는 물질을 발견했다. 이것은 안정화 불순물로서 약간의 질소 원자와 함께 수소가 첨가된 란타나이드 루테튬의 화합물인 질소 도핑된 수소화 루테튬을 사용하여 달성되었다고 네이쳐지에 보고했다. 이 상온 초전도가 확인되면 초전도의 새로운 시대가 열릴 수 있다. 

▲ 액체 질소로 냉각된 고온 초전도체(약 -197 °C) 위를 떠다니는 자석 https://de.wikipedia.org/wiki/Supraleiter#/media/Datei:Magnet_4.jpg

초전도체는 저항 없이 전기를 전도한다. 따라서 이미 입자 가속기, 핵스핀 단층 촬영기와 양자 컴퓨터에 사용되고 있지만 복잡한 냉각이 필요하다. 대부분의 초전도체는 매우 낮은 영하의 온도에서만 저항을 잃기 때문이다. 1960년대에 영국의 물리학자 닐 애쉬크로프트 Neil Ashcroft는 수소가 상온에서도 초전도가 될 수 있다고 예측했다. 그러나 그것은 지구 핵보다 높은 압력인 450기가파스칼 이상의 압력에서 금속 상태로 만들 때만 작동한다.

절충안이 있다. 최근 몇 년 동안 적당한 영하의 온도에서도 초전도가 되는 황화수소 또는 수소화란타늄과 같은 수소화물을 포함하는 여러 재료가 발견되었다. 그러나 이러한 수소 화합물조차도 대기압의 수백만 배인 100기가파스칼이 훨씬 넘는 압력이 여전히 필요했다.

수소, 란타나이드 및 질소

이제 처음으로 뉴욕 로체스터 대학의 Ranga Dias가 이끄는 연구원들이 적당한 압력하에서 상온 초전도체를 만드는 데 성공했을 수 있다. 그들은 먼저 전자 구조 측면에서 특히 유리한 수소의 파트너를 찾아 이를 달성했다. 그들은 란타나이드 루테튬에서 찾고 있던 것을 발견했다. 이것은 완전한 4f 전자껍질을 가지고 있으므로 초전도 전자쌍의 형성을 위해 많은 전자를 제공할 수 있다.

다음 단계에서 팀은 필요한 압력을 줄이는 방법을 찾았다. 초전도성을 위해서는 재료의 결정 격자가 전자쌍의 형성을 허용하기 위해 특정 방식으로 진동할 수 있어야 한다. "핵심 질문은 압력이 덜 필요하도록 구조를 안정화하는 방법이었다"고 Dias는 설명했다. "그것이 질소가 들어온 곳이다." 연구진이 발견한 것처럼 소량의 질소를 추가하면 격자를 안정화하는 데 도움이 될 수 있다.

색상 변경 표시가 초전도체로 전환

그들의 실험을 위해 제1저자인 Dias, Nathan Dasenbrock-Gammon과 동료들은 1%의 질소가 첨가된 수소 가스를 사용했다. 그들은 이 가스 혼합물을 다이아몬드 스탬프 셀의 반응실에 공급하고 얇은 루테튬 조각을 추가했다. 2기가파스칼의 압력과 65도의 온도에서 이러한 구성 요소는 반응해 파란색의 질소 도핑 루테튬 수소화물(LuH3-δN ε)을 형성했다.

그런 다음 실제 테스트가 시작되었다. 정상 압력과 영하 170도의 온도에서 시작하여 연구원들은 도핑된 수소화 루테튬을 서서히 가열하면서 동시에 압력을 높였다. 약 0.3기가파스칼의 압력에서 결정 구조의 변화로 인해 물질이 파란색에서 강렬한 분홍색으로 변하는 놀라운 변화가 발생했다. 2009년 영화 Star Trek에 나오는 허구의 적색 물질을 기반으로 연구원들은 이 상태를 "Reddmatter"라고 명명했다.

▲ 질소 도핑된 수소화 루테튬의 색상 변화: 정상 압력에서는 파란색이지만 1기가파스칼의 초전도 상태에서는 분홍색이다. © University of Rochester

 

 

20.8도에서 초전도: 상온

그러나 더 중요한 것은 "시스템을 2단계로 전환하는 것은 초전도 체제의 시작을 알리는 것"이라고 Dias와 그의 팀은 보고했다. "초전도 상태로의 전환은 몇 도 내에서 전기 저항의 급격한 감소에 반영되었다." 초전도의 온도 임계값은 0.5기가파스칼 -102도에서 1기가파스칼에서 +20.8도까지 상승했다. 자기 특성 및 열역학적 열량계의 테스트는 초전도 상태를 확인했다.

"따라서 이 물질은 실온과 거의 정상 압력에서 초전도성을 나타낸다"고 Dias와 그의 팀은 말했다. 기가파스칼은 여전히 ​​정상 대기압보다 훨씬 높지만 칩 산업과 같은 기술 제조 공정에서는 상당히 일반적이다. 연구진에 따르면 질소 도핑 수소화루테튬 등 유사한 원리로 구성된 물질이 상온 초전도체 시대를 열 수 있을 것으로 기대된다.

혹평 끝에 새로운 시도

Dias와 그의 동료들은 2020년에 거의 실온에서 매우 높은 압력에서 15도를 더한 초전도체가 된 탄소 레이스 수소화황에 대해 "Nature"에 보고했다. 그러나 돌이켜 보면 당시 자석 거동에 대한 데이터가 누락되고 측정 결과에 대한 의구심이 표명되었기 때문에 전문 기사를 철회해야 했다. 그동안 연구원들은 누락된 데이터를 제공하고 재출판을 위해 "Nature"에 출판물을 제출했다.

 

새로운 비판을 방지하기 위해 Dias와 동료들은 현재 실험의 모든 단계를 문서화하고 결과를 여러 번 확인하도록 했다. 또한 측정은 자체 실험실이 아닌 미국의 두 국립 실험실에서 수행되었다. 연구진이 강조하듯이 연구에 참여하지 않은 물리학자들도 참석해 측정 결과를 목격했다.
따라서 Dias와 그의 팀은 그들의 결과가 시간의 시험을 견딜 것이며 상온 초전도체 시대의 돌파구를 대표할 것이라고 확신한다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05742-0)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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