▲ 주석(Sn)이 도핑된 비정상 초전도체 CeRhIn5의 상 전이 도형

비정상 초전도체의 종류에는 초전도 형성 온도가 액체 질소 온도 이상으로 높은 고온 초전도체가 포함되기 때문에 비정상 초전도체의 형성원리를 밝히는 것은 21세기 물리학이 직면한 첨단 과제일 뿐만 아니라 산업화에도 기여할 가능성이 풍부한 주요난제이다.

이론적으로 비정상 초전도체의 전자쌍을 매개할 수 있는 후보 중 하나가 양자임계점(quantum critical point) 근처에서 발생하는 양자요동(quantum fluctuations)이다.

열적요동이 사라진 절대영도(0 K)에서 존재하는 양자임계점 근처에서 초전도 현상이 새로 발현되는 결과들이 나오고 있기 때문이지만 극저온에서 실험을 해야 하는 한계와, 여러 변수가 복잡하게 작용된 환경 때문에 직접적으로 초전도와 양자요동과의 상관관계를 이해하기 힘들었다.

이 고체물리학의 미해결 과제인 비정상 초전도체의 형성 원리과 관련해 성균관대 박두선·정순길 교수가 비정상 초전도체가 양자점에서 양자요동에 의해 형성된다는 증거를 제시했다.

초전도체는 절대 영도(-273℃)에 가까운 매우 낮은 온도에서 저항이 0이 되어, 전력손실 없이 전기가 흐를 수 있다. 최근, 기존 초전도체와 달리 액체질소(-196℃)보다 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 비정상 초전도체가 주목받고 있다. 이 연구가 심화되면 오늘날 MRI 기기, 자기부상열차를 넘어서서 더 많은 전력분야에서 활용될 것으로 기대된다.

▲ 박두선 교수

연구팀은 비정상 초전도체의 대표적인 초전도 특성으로서 임계전류를 관찰한 결과, 양자점에서 임계전류가 최대가 된다는 사실을 발견했다.

연구팀이 관찰한 비정상 초전도체는 세륨(Ce), 로듐(Rh), 인듐(In)이 포함된 CeRhIn5에 미량의 주석(Sn)을 첨가한 물질이다.

임계전류가 최대가 된다는 것은 초전도체의 전자쌍이 형성되어 초전도 현상이 최대가 된다는 것을 시사한다.

임계전류와 양자점의 직접적인 연관성을 보인 이번 결과는 비정상 초전도체의 전자쌍 매개 원인이 양자점에서 발현되는 양자요동에 의한 것이라는 가능성을 강하게 뒷받침한다.

박두선 교수는 “이번 연구결과는 양자임계점과 고온 초전도에 대한 이해를 심화할 수 있는 단초를 제공한 것”이라며 “향후 MRI 소비 전력을 절감하여 의료비를 줄일 뿐만 아니라, 새로운 산업적 가치를 유발할 수 있는 초전도 물질 디자인에 기여할 것”이라고 설명했다.

이 연구는 미국 로스알라모스국립연구소, 중국 저장대학교와의 공동연구로 진행되었으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 1월 30일에 게재되었다.(논문명 : A peak in the critical current for quantum critical superconductors