Room-temperature superconductivity has been achieved for the first time

세계 최초 상온 초전도체 구현 성공

초고압 환경에서 극히 작은 샘플이 성공한 것으로, 세계 에너지 인프라를 혁신하기에는 아직 이르다.

상온 초전도체란 특수한 냉각 과정을 거치지 않고도 저항 없이 전기를 흐르게 할 수 있는 물질이다. 개발에 성공하면 우리 일상에 획기적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 전력 계통의 혁신과 자기부상 열차의 실현 등 다양한 분야에서 활용 잠재력이 있다.

지금까지는 물질을 극히 낮은 온도로 냉각해야 한다는 특성 때문에 그 중요성에도 불구하고 틈새 기술로만 취급되었다. 오랜 기간 불가능한 것으로 여겨지던 분야였지만, 지난 5년 사이 세계 곳곳에서 연구자들이 실험실 환경에서 상온 초전도체를 만들기 위해 경쟁하면서 상황이 달라지고 있다.

최초 성공 사례 발표

최근 학술지 네이처를 통해 논문을 발표한 로체스터대학교 랭거 디아스(Ranga Dias) 교수팀은 수소, 황, 탄소 화합물이 영상 13.3 °C에서 초전도체가 되는 현상을 발견했다고 밝혔다. 지금까지는 2018년 조지워싱턴대학교와 워싱턴 소재 카네기 연구소가 영하 13.15°C에서 성공한 것이 가장 높은 온도였다. (이와 비슷한 시기에 독일 막스플랑크 연구소 과학자들도 영하 23.15°C에서 초전도체를 만드는 데 성공했다.) 다만 기존 실험과 마찬가지로 이번 연구도 대기압의 약 250만 배에 달하는 매우 높은 압력을 가하여 얻은 결과다.

이탈리아 로마 사피엔자대학교의 전산물리학자 요세 플로레스-리바스(José Flores-Livas) 교수는 이번 발견을 “획기적” 이라고 평가했다. 상온 초전도성 모델을 연구하는 플로레스-리바스 교수는 이번 실험에 직접 참여하지는 않았다. 그는 “불과 몇 년 만에 200K(-73.15°C)에서 250K(-23.15°C)를 지나 290K(16.85°C)에 도달했으며, 300K(26.85°C)도 가능하다고 확신한다”고 전했다.

전류란 전하의 흐름으로, 대부분 전자로 구성된다. 구리 도선 같은 전도체에는 다량의 전자가 느슨하게 묶인 상태로 존재하는데, 여기에 전기장이 형성되면 전자가 비교적 자유로운 상태로 흐르게 된다. 그렇지만 구리처럼 좋은 전도체라 해도 저항에서 자유롭지는 않다. 전기를 운반하면서 도선이 뜨거워지는 것이다.

전자가 저항을 받지 않고 물체에서 흐르는 상태인 초전도성의 개념을 처음 접하면 불가능한 것을 가능하다고 말한다고 생각할 수 있다. 도심 지역 정체 구간에서 신호를 한 번도 받지 않고 고속으로 주행할 수 있다고 말하는 것처럼 들리기 때문이다. 그렇지만 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 절대온도(영하 273 °C) 가까이 냉각된 수은이 초전도체가 되는 현상을 발견하면서 불가능이 현실이 될 수 있다는 것이 증명되었다. 그는 그 후 얼마 지나지 않아 주석과 납에서도 동일한 현상을 확인했다.

이후 수십 년 동안 초전도성을 유도하는 유일한 방법은 극저온으로 온도를 낮추는 것이었다. 1986년 말에서 1987년 초 IBM 취리히 연구소 과학자들이 특정한 세라믹 산화물이 기존보다 훨씬 높은 영하 181.1°C에서 초전도체가 되는 것을 발견했다. 액화질소의 끓는점인 영하 196.1°C 보다 높은 온도라는 점에서 이는 중요한 발견이었다. 이는 초전도체 연구에 일대 전환을 가져왔으며, 특히 액화질소의 낮은 가격과 취급 용이성 덕분에 병원용 MRI등 응용 분야에서도 혁신이 일어났다. 1980년대에 얻은 이 같은 성과는 상온 초전도체의 실현 가능성에 대한 토론에 불을 지폈다. 그렇지만 그 같은 물질은, 오늘 연구가 발표되기 전까지는, 이룰 수 없는 꿈에 불과했다.

여전히 높은 압력 조건

초전도체를 만드는 한 가지 방법은 어떤 물체에 흐르는 전자를 해당 물체를 구성하는 원자격자의 진동인 음자(phonons)와 ‘결합’하는 것이다. 과학자들은 이 같은 전자와 음자의 동기화로 인해 전자가 저항에서 자유로워진다고 본다. 낮은 온도에서는 다양한 물질이 그 같은 결합

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