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탄소-황-수소 화합물, 영상 14.5 도에서 초전도체로 변환.
높은 압력(276기가파스칼)필요.

상온에서 최초의 초전도
탄소를 함유한 황화수소 15도 이하에서 전기 저항 잃어.

결정적인 돌파구 :
처음으로 연구자들이 매우 높은 압력에서도 빙점 이상의 온도에서 재료를 초전도체로 만드는 데 성공했다. 탄소, 황 및 수소로 구성된 화합물은 14.5도 및 276GPa(기가 파스칼) 압력에서 저항을 잃어 손실 없이 전자를 전도한다.
과학자들은 ‘Nature’에 보고한 것처럼 필요한 압력을 크게 줄일 수 있는 좋은 기회로 생각하고 있다.

▲ 초전도체는 자석을 공중에 뜨게 하고 저항없이 전기를 흐르게 하지만 지금까지는 극한으로 냉각시켜야했다. 최근 연구자들은 최초의 실온 초전도체를 개발했다. © University of Rochester / J. Adam Window

초전도체는 저항 없이 전기를 전도하므로 전자 및 전력망에 혁명을 일으킬 수 있다.
그들은 이미 입자 가속기, 자기 공명 단층 촬영기, 양자 컴퓨터 및 시범 프로젝트로-심지어 최초의 도시 전력망에서도 사용되고 있다. 초전도체는 자력선을 반발하기 때문에 자기 부상 열차에 사용된다. 그러나 지금까지 전자가 손실없이 흐르게 하기 위해 많은 노력이 필요했다.그래서 사용이 제한됐고 급속 냉동 재료에서만 작동했다.

상온 초전도체의 "성배"

따라서 실온에서도 작동하는 초전도체의 개발은 고체 물리학의 ‘성배’로 여겨진다.
사실 최근 몇 년 동안 연구자들은 완전히 새로운 종류의 초전도체 물질, 특히 금속 수소화물 (수소와 금속 또는 전이 금속으로 만든 화합물)을 발견하는 데 성공했다. 이 물질에서 수소 원자들은 초전도로의 전환을 선호하는 것 같다.

"고온 초전도체를 만들기 위해서는 강한 결합과 가벼운 원소가 필요하다. 수소는 가장 가벼운 원자이고 결합은 가장 강한 것 중 하나다"고 뉴욕 로체스터 대학의 선임 저자 란가 디아스(Ranga Dias)는 설명한다.

▲ Prof. Dr. Ranga Dias, 로체스 대학교

2015년 과학자들은 황화수소(H2S)가 영하 70도의 고압에서 초전도체로 변한다는 사실을 발견했다. 2019년에 마인츠에 있는 막스 플랑크 화학 연구소의 한 팀은 매우 높은 압력에서도 영하 32도에서 란탄하이브리드 초전도를 만들었다.

탄소, 황 및 수소

그러나 지금까지 실온 초전도체는 없었다.
디아스와 첫 번째 저자 엘리엇 스나이더(Elliot Snider) 그리고 그녀의 팀은 처음으로 영상 14.55도에서 수소화물 화합물 초전도를 만드는 데 성공했다.
빙점 이상에서 저항을 잃은 최초의 초전도체이다.
그러나 다른 하이드라이드와 마찬가지로 이를 위해서는 높은 압력이 필요하다.
전환은 276GPa(기가 파스칼)에서 발생한다.

이 돌파구는 황화수소의 변형으로 이루어졌다.
연구원들은 매우 높은 압력이 생성될 수 있는 챔버 다이아몬드 셀에 황, 수소 및 탄소 혼합물을 넣었다. 처음에는 메탄과 황화수소가 형성되었다.
약 4기가 파스칼에서 고체 결정이 형성되었으며, 격자에서 메탄이 일부 황화수소 분자를 대체했다. 또한 수소로 채워진 별도의 물질이 형성됐다.

이 탄소 함유 황-수소 화합물을 더 압력을 가하면 276GPa과 14.55도에서 초전도체로 변했다. Snider와 그의 동료들은 "초전도로의 이러한 전환은 전기 저항의 급격한 감소로 입증되었으며 1도 미만에서 0으로 떨어 졌다"고 보고했다.
초전도체의 일반적인 특성과 마찬가지로 자기 특성도 변경됐다.

▲ 이 탄소 함유 황-수소 화합물을 더 압력을 가하면 276GPa과 14.55도에서 초전도체로 변했다.

"우리의 발견은 장벽을 허물고 있다"

상온에서 이 최초의 초전도성은 중요한 이정표라고 연구자들은 강조한다.
"냉각이 필요하기 때문에 초전도 물질은 아직 많은 사람들이 상상했던 만큼 세상을 바꿀 수 없었다"고 Dias는 말했다. "그러나 우리의 발견은 이제 이러한 장벽을 허물고 많은 새로운 잠재적인 응용 프로그램의 문을 열었다"
‘Nature’는 그 돌파구를 표지 기사로 실었다.

Snider와 그의 동료들도 인정했듯이 실제로 사용하기 전에 해야 할 일이 많다. 이 초전도체를 소량 생산하려면 여전히 다이아몬드 다이셀과 엄청난 압력이 필요하기 때문이다.
과학자들은 세 가지 요소의 비율을 더욱 최적화하여 필요한 압력을 크게 줄일 수 있다고 확신한다.
연구진은 “우리의 세 부분으로 구성된 시스템의 화학적 조정은 더 낮은 압력에서 실온 초전도 특성을 유지할 수 있다"고 말했다. 
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2801-z)
Nature, University of Rochester

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