Credit:University of Rochester photo / J. Adam Fenster
전기저항이 0이 되면서 자기장을 밀치는 신기한 현상인 초전도는 절대 영도에 가까운 극한의 환경이 아니면 실현될 수 없는 것이었습니다.
만약 이것이 일상의 환경에서 실현되게 된다면, 세상은 또 한번 변한다고 합니다.
초전도를 상온에 가까운 환경에서 실현하는 연구는 진보 하고 있으며, 지금까지 초전도를 실현한 최고 온도는
-23 ℃입니다.
이 온도도 대약진이라고 할 수 있는 성과였지만, 10월 14일에 과학잡지 "nature"에서 발표된 최신 연구는, 마침내 완전한 상온 15℃에서 초전도를 실현했다고 보고했습니다.
그러나 이 결과는 초고압이라는 환경과 맞바꿔 실현이 된 성과이기도 합니다.
■ 마침내 실현된 상온 15℃에서의 초전도
Credit:Dias lab,University of Rochester
상온초전도를 실현하기 위해서 이번 연구에서 사용된 것은, 고압력을 가할 수 있는 장치 「다이아몬드 암빌 셀」입니다.
이것은 2개의 다이아몬드가 마주보고 설치되어 있는 장치로, 다이아몬드로 끼운 바닥면에 높은 압력이 가해집니다.
실험에서는 여기에 수소와 탄소, 그리고 황을 조합한 시료를 셋팅하여 '탄소질 유황수소화물'을 합성했습니다.
이것이 실온에서의 초전도를 실현시킨 물질입니다.
초전도는 양자 역학적 현상으로 전자가 최소 에너지 상태 에 가까워졌을 때 발생합니다.
이 상태는 절대 영도 근처에서 일어나기 때문에 기본적 으로는 극저온 상태에서 볼 수 있는 현상으로 알려져 있습니다.
하지만 이런 현상은 가벼운 원소의 결정에서는 비교적 높은 온도에서 일어나기 쉽다고 여겨집니다.
세상에서 가장 가벼운 원소는 수소이기 때문에 수소의 결정을 사용하면 고온에서도 초전도를 일으킬 수 있습 니다.
문제는 가벼운 수소를 결정화시키기 어렵다는 거예요.
수소를 고체로 만들기 위해서는 엄청난 고압을 걸어 주어 야 합니다.
고압을 가하는 장치 다이아몬드 앰빌 셀은 수소를 결정화 시키기 위해 사용된 것입니다.
참고로 이 장치에서 생성할 수 있는 초전도 재료의 양은 매우 작은 피코리터 사이즈(1리터의 1조분의 1)의 것 입니다.
■ 문제의 열쇠를 지닌것은 수소 화합물.
고체수소 생성에는 결정화가 쉽도록 다양한 물질과의 화합물이 시도가 요구됩니다.
이전 발표된 연구에서는 막스 플랭크 화학연구소와 일리노이 대학의 연구진이 랜턴 수소화물이라는 것을 사용하여 -23℃에서의 초전도에 성공했습니다.
이번 연구를 발표한 로체스터 대학의 디아스 연구실은 최초 이트륨 수소화물을 사용해 약 -10℃의 초전도에 성공했습니다.
여기에는 2600만psi(파운드당 제곱인치)의 압력이 필요했습니다.
참고로 지구의 해수면에서의 대기압은 약 15psi이므로, 2600만psi는 대기압의 약 170만 배의 압력이 됩니다.
이후의 연구팀은 수소가 풍부한 공유결합을 가진 유기 재료의 조사를 실시한 끝에 탄소를 사용할 생각을 했던 것입니다.
이곳에서 시험된 '탄소질황수소화물'이 3900만psi의 압력(대기압의 260만 배)으로 실온 15℃에서 초전도를 구현해 냈습니다.
■ 초전도 재료의 가능성
초전도는 전기 저항이 0, 자기장을 밀치는 마이스너 효과 등 매우 신기한 특성을 가지고 있습니다.
Credit: Wkipedia
초전도를 상온의 환경에서 실현할 수 있으면, 손실이 없는 송전망이나, 전기의 저축, 자기부상열차와 같은 마찰이 없는 광속열차가 실현 가능하게 되어, 지금의 세상은 혁신 적으로 될 것입니다.
초전도를 실현하기 위한 걸림돌은 초저온이 아니면 기능 을 하지 않는다는 점이었습니다.
하지만 이번 성과에 대해 더이상 온도가 초전도의 제한이 되지 않게 됐다고 말하는 연구자도 있습니다.
대신 문제가 되고 있는 것은 고압이 아니면 초전도 재료를 만들 수 없다는 문제입니다.
이는 이번 실험처럼 적은 양의 재료만 만들 수 있다는 문제와도 직결됩니다.
하지만 이번 연구로 탄소를 이용함으로써 온도 문제를 대폭 개선하는 동시에 순수한 수소만으로 초전도 상태를 만드는 것보다 더 낮은 압력으로도 상태를 만들어내는 데 성공했습니다.
다른 원소의 조합에 의한 구성조정으로 15℃에서의 초전도에 성공했다는 이번 연구는 상온환경에서 초전도 를 달성하기 위한 열쇠가 될 것입니다.
reference: University of Rochester,sciencealert
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