초전도체/초전도 현상/상온 상압 초전도체/LK-99

초전도체 / 超傳導體 / Superconductor

전도체로서, 전기 저항이 0 Ω0Ω이 되는 초전도 현상과 마이스너 효과가 일어나는 물질을 가리킨다.

마이스너 효과 없이 초전도 현상만 있는 것은 '완전도체' 내지 바일 금속이라고 한다. 마이스너 효과가 없으면 자기력을 이용한 기술에는 사용이 어렵다.

 

2.1. 현상의 발견에서 상용화까지

• 저온공학의 시작, 초전도 현상 발견
  • 이전의 과학자들은 극저온에서 전자들의 거동에 대해 의견이 분분했다. 세 의견으로 나뉘었는데, 다른 온도 대역처럼 어느 정도 저항이 있을 것이라는 의견, 고체를 이루는 격자진동이 완전히 사라져 전기저항이 0 Ω0Ω이 될 것이라는 의견, 그리고 전자들이 얼어붙어 저항이 증가할 것이라는 의견이 있었다. 아예 액화가 안 되는 물질들인건 아닐까? 라는 접근으로 영구기체라는 단어도 있었다.
  • 1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는 액체 헬륨(4.2 K4.2K)을 만드는데 성공했다. 이에 오너스는 저온에서의 전자 거동을 측정하기 시작했다.
  • 1911년, 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중 4.19 K4.19K 에서 수은의 전기저항이 극도로 낮아지는 현상을 발견했다. 굉장히 낮은 저항이어서 일반적인 4단자 측정법으로는 측정이 어려웠기에, 폐회로를 만들어 기전력이 없어도 전류가 계속 존재하게 하며 자기장의 변화를 측정했다. 측정결과 저항을 '0 Ω0Ω으로 여겨도 될 정도'임이 밝혀졌다. 이후 수은 외에도 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
• 마이스너 효과의 발견

       1933년, 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너(Fritz Walther Meißner, 1882 ~ 1974), 로버트 오쉔펠트가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못 하는 현상을 실험적으로 발견했다.

• 양자역학에 의한 BCS 이론의 등장
  • 1957년, 미국의 물리학자 존 바딘(John Bardeen, 1908 ~ 1991), 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer, 1931 ~ 2019)가 초전도 현상에 대한 이론적 설명을 최초로 성공하여, 이들 연구자 이름의 앞글자를 따서 'BCS 이론'으로 이름이 지어졌다. 쿠퍼쌍의 매개를 포논(phonon)으로 보았다.
  • 1972년, 이들이 이 공로로 노벨물리학상을 수상했다.

• 나이오븀 기반 저온 초전도체의 상용화
  • 1954년, 18 K18K(약 −255 ° ⁣C−255°C) - Nb3SnNb3​Sn이 발견됐다. 극한의 자기장이 걸리는 특정 부위에 사용하곤 한다. 자기장이 투사됐을 때 흘릴 수 있는 전류가 높다는 장점이 있지만, 깨지기 쉬워서 가공이 어렵다.
  • 1961년, 9.7 K9.7K(약 −263 ° ⁣C−263°C) - NbTiNbTi가 발견됐다. 금속재료면서 인발이 가능하다는 장점이 있다.
  • 1964년, Nb3SnNb3​Sn과 NbTiNbTi의 초전도 선재가 생산되기 시작했다.
  • 1983년, MRI용 초전도 전자석이 상용화됐다.
  • 1988년, 이탈리아의 물리학자 파리시가 저서 '통계학론'에서, BCS이론의 미시적 유효 이론인 "란다우-긴즈버그 모형(Landau-Ginzburg model)"을 제시하고, 초전도체의 전이 속도에 따라 1형/2형으로 나누었다.

2.2. 고온 초전도체의 연구

오해하지 말아야 할 것이 있는데, 고온 초전도체의 고온의 의미는 30 K30K(약 −243 ° ⁣C−243°C) 이상의 온도를 의미한다. 이는 전통적인 초전도체 이론인 BCS 이론에서 초전도체가 되기 위해서는 30 K30K 이하의 온도가 필요하다고 예측했던 것으로부터 비롯된 것으로, 1986년 30 K30K보다 높은 온도에서도 유지되는 초전도체를 발견하자 기존 이론에서 예측한 온도보다 고온의 초전도체라는 뜻에서 고온 초전도체라고 부르게 됐다. 즉 표현은 고온이지만 고온 초전도체는 아래 사례에서 확인할 수 있듯 30 K30K ~ 133 K133K라는, 실온과 비교했을 때 극단적으로 낮은 온도이다. 명칭 때문에 상온 초전도체와 햇갈려하는 일반인이 많은 편.

• 구리, 철 기반 고온 초전도체의 등장과 스핀밀도파 이론(한국어 기사1, 한국어 기사2)

발견 날짜	온도/K/K	설명
1986년	3535	스위스 취리히 IBM 연구소에서 베드노로츠(Bednorz)와 뮐러(Muller)가 BCS 이론이 적용되지 않는 30 K30K 이상에서 구리 기반 초전도체를 발견했다. 전류가 정공을 통해 이동했다. 이 발견으로 바로 이듬해 노벨물리학상을 받는다.
1987년	9393[11]	미국 휴스턴대학 폴 추 연구팀이 이트륨에 기반한 YBCO를, 일본의 츠쿠바 연구팀이 비스무트에 기반한 BSCCO를 발견하며 고온 초전도체에 대한 논의가 시작됐다. 이들을 총칭해 REBCO(RE는 Rare Earth, 희토류, BCO는 바륨-구리-산화물)라고도 했다. 곧이어 이트륨을 탈륨으로 교체하여 임계온도를 127 K127K까지 올렸다. 단 이들은 세라믹이라 부러지기 쉬워 휠 수 있는 선재 가공법에 대한 연구가 이어진다. 1세대 선재 - 스테인리스강 튜브에 BSCCO 재료 분말을 넣고 가열압출성형하는 PIT(Powder In Tube) 공법으로 테이프 모양 선재를 만들었다. 2세대 선재 - 긴 테이프형 기판에 초전도체 층을 증착시켜 제작. 기판 표면이 부드럽지 않기 때문에 이를 매끄럽게 해 주고 증착될 초전도층을 한쪽 방향으로 증착되도록 유도하는 버퍼층을 먼저 증착하고 그 위에 초전도층을 증착한다.[12][13][14]
1993년	133133[15]	스위스 한스 연구팀이 Hg-1223[16]를 발견했다. 15만 기압 이상의 고압에서 연구하자 164 K164K(약 −109 ° ⁣C−109°C)까지도 달성됐다.
2001년	3939[17]	일본 아키미츠 연구팀이 MgB2MgB2​가 초전도 현상이 있음을 발견했다.[18] BCS이론의 한계온도 기준이 40 K40K라서 약간 애매하지만 편의상 고온 초전도체로 더 분류되곤 한다. 저렴해서 유용도가 있기 때문.
2008년	-	일본의 호소노(Hosono) 그룹이 철-비소 기반 초전도체를 발견했다.

• 1993년: 울만(Wollman)이 구리 기반 초전도체의 쿠퍼쌍 매개체를 포논이 아닌 SDW(Spin Density Wave, 스핀밀도파)로 보았다. 자성물질이 포함되면 SDW가 영향을 받기 때문에 고온초전도체 연구에 있어 자성물질은 기피하게 됐다.
• 1996년: 발마(Varma)가 구리 기반 초전도체의 페르미 표면 성질을 추가로 설명했다.

2.3. 고압 초전도체의 연구

고온 초전도체의 극저온 환경을 벗어나기 위해 극도로 높은 기압을 가하는 것으로, 기존의 고온 초전도체보다 더 높은 온도에서 초전도체가 될 수 있었다. 다만 그럼에도 불구하고 실온보다는 많이 낮은 온도이다.

• 수소 기반 고압 초전도체 레이스와 전하밀도파 이론

구리-철 기반에서 수소 기반으로 레이스가 넘어오며 기존의 SDW이론의 적용이 어렵자 CDW(Charge Density Wave, 전하밀도파)로 설명하려는 시도가 증가했다. 전하밀도파 이론 자체는 1930년대부터 있던 이론이다. 영문위키

발견 날짜	온도		압력	설명
	�K/KTK​/K	�° ⁣C/° ⁣CT°C​/°C
2015년	203203	−70−70	90 GPa90GPa	독일 막스플랑크연구소 드로조프 연구팀이 H3SH3​S (황 하이드라이드)를 이용했다. 심지어 BCS이론이 적용된다.한국어해설
2017년	4.44.4	−269−269	495 GPa495GPa	미국 하버드 실베라 연구팀이 수소를 고체화하면 초전도체임을 밝혀냈다. #
2019년	250250	−23−23	170 GPa170GPa	독일 막스플랑크연구소 엘레메츠 연구팀이 H10LaH10​La (란타넘 하이드라이드)를 이용했다. 고압에서는 −13 ° ⁣C−13°C까지도 올라갔다. 한국어해설, 해설블로그
2020년 10월 15일	288288	1515	268 GPa268GPa	미국 로체스터대학 디아스 연구팀이 CSHCSH (탄소질황수소화물)를 이용했다. 두 다이아몬드 사이에 탄소, 수소, 유황을 삽입하고 레이저 등으로 압력을 가했다. 한국어해설 하지만 2022년 9월 27일, 네이처 측은 이 논문은 압력이 너무 높아 분자 구조가 압축되어 쉽게 관찰할 수 없어 화학식이 불명이며, 데이터 분석 방법에 하자가 있고, 재현성이 없다는 이유 등으로 게재를 취소했다. 취소 공지
2021년 3월 19일	262262	−11−11	182 GPa182GPa	미국 로체스터대학 디아스 연구팀이 이트륨 수소화물으로 성공했다. 논문, 한국어해설 하지만 2023년 7월 26일, 이 논문도 게재가 취소됐다. #
2022년 7월 7일	191191	−82−82	91 GPa91GPa	미국 로체스터대학 디아스 연구팀이 CSHCSH(탄소질황수소화물)을 2020년 10월보다 압력을 낮춰 성공했다. 논문, 영어해설
2023년 3월 8일	294294	2121	10 kbar10kbar	미국 로체스터대학 디아스 연구팀이 '질소가 도핑된 루테튬 수소화물'(NDLH)을 네이처에 게재했다. # 뉴욕타임스, 한국어해설 앞서 재현성 논란을 겪은만큼 과학자들은 프로세스를 더 상세히 공유할 것을 요구했으나, 디아스는 'Unearthy Materials'를 창업하고, 독점권과 지식재산권을 주장한다.

2.4. 그래핀 기반 저온 초전도체 연구

• 그래핀 무아레 초격자(Moiré superlattice, MSL) 기반 저온 초전도체 레이스(한국어 기사)
  • 2011년 7월, 미국 UT오스틴 비스터리처-맥도날드 두 교수는 그래핀 두 층으로 적층하고 이를 '마법의 각도(Magic-angle)'로 비틀면 초전도 현상이 생긴다는 이론을 발표했다. 논문
  • 2017년 1월, 영국 캠브리지대학 버나르도 교수 연구진 역시 유사한 이론을 네이처에 게재했다. 논문
  • 2018년 3월, 1.7 K1.7K(약 −272 ° ⁣C−272°C) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진은 앞서 2011년 이론을 실험적 검증해 네이처에 2편 게재했다. 논문1, 논문2
  • 2021년 2월, 2.25 K2.25K(약 −271 ° ⁣C−271°C) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진과 하버드 김필립 연구진이 거의 비슷한 시기 네이쳐와 사이언스지에 각각 "3겹"의 그래핀을 비틀어 배치하면 초전도 현상이 있음을 보였다. 논문1, 논문2
  • 2021년 7월, 2 K2K(약 −272 ° ⁣C−272°C) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진은 3겹 그래핀이 10테슬라까지 자기장을 유지할 수 있음을 보였다. 논문
  • 2022년 7월, 미국 MIT 에레로 교수 연구진은 4겹, 5겹 그래핀도 초전도 현상이 있음을 보였다. 논문

2.5. 상온 및 상압 초전도체?

자세한 내용은 LK-99 문서를  참고하십시오.

이처럼 현재까지 알려진 초전도체는 상온과 비교했을 때 극단적으로 낮은 온도이거나, 상압에 비해 극단적으로 높은 기압이라는 환경 하에서만 기능했다. 이에 과학자들은 이런 특수한 환경이 아니라 일상생활에서도 써먹을 수 있을 상온/상압 초전도체를 계속 연구하고 있었다.

그런데 2023년 7월 대한민국에서 기존의 초전도체가 되기 위한 극단적인 제약 조건을 아득히 뛰어넘은 상온 및 상압에서 초전도체가 가능하다는 실험 결과가 제시되면서 전 세계적으로 화제가 되고 있다. 자세한 내용은 LK-99 참조.

 

* 출처: https://namu.wiki/w/%EC%B4%88%EC%A0%84%EB%8F%84%EC%B2%B4