물질 '제5의 상태'에서의 초전도를 구현! 고온상태에서 초전도에 대한 새로운 접근법

川勝康弘

credit: ナゾロジー

물질 「제5의 상태」에서의 새로운 물리 현상이 도쿄대학의 연구자들에 의해 실증되었습니다.

11월 6일 Science Advances 논문에 따르면 고체, 액체, 기체, 플라스마에 이은 제5의 물질 상태로 알려진 보스 아인슈타인 응축상태에서 초전도가 처음으로 실증됐다.

보스·아인슈타인 응축에 유래한 초전도 현상은 지금까지 실험적으로 관측된적이 없으며 물리학 역사에 남는 쾌거 가 되었습니다.

그러나 보스 아인슈타인 응축상태라는 것은 도대체 어떤 물질의 상태일까요?

■ 고체, 액체, 기체, 플라스마에 이은 '제5의 물질'상태

Credit: wikipedia

 

물질은 온도를 높이면 고체, 액체, 기체로 분자의 결합 상태가 변하며 고온이 되면 분자간의 결합이 떨어져 나가 단독 원자가 떠다니는 플라스마 상태가 됩니다.

한편 반대로 온도를 극한까지 내리면 '제5의 물질(보스 아인슈타인 응축)'이라 불리는 특수한 상태로 변화하는 것으로 알려져 있습니다.

제5의 상태에 대해 자세히 알고 싶으시면 아래 기사를 참고해 주세요.
https://nazology.net/archives/62256

固体・液体・気体に続く物質の"第5の状態"を観測。　絶対零度で起こる量子力学の世界 - ナゾ

물질이 이와같은 제5의 상태가 되면 믿기 어렵게도 전체로부터 입자성이 상실되어 단일 파동으로 행동하게 됩니다.

위의 그림에서는 온도 저하로 인해 입자의 존재가 마치 파동처럼 모호해지면서(옅게 물들어) 최종적으로는 1개의 거대한 파동에 통합되는 모습이 표현되어 있습니다.

Credit:ナゾロジー

또한 보스 아인슈타인 응축상태인 물질은 점성이 없는 '초유동'이라고 불리는 불가사의한 성질을 가지고있는 것으로 알려져 있습니다.

초유동 상태에서는, 통상의 물질로는 매우 통과할 수 없는 작은 구멍으로부터도 새어 나오거나 용기의 벽을 마음 대로 타고 밖으로 흘러나오는등 상식에서 벗어난 것 같은 거동을 취할 수 있습니다.

■ 초전도와 '보스 아인슈타인 응축'의 연관성

Credit: wikipedia

 

한편, 「초전도」는 물질의 전기 저항이 제로가 되는 현상.

초전도 상태가 된 물질은 강한 자력을 발생시켜 "자기 부상"할 수 있게 됩니다.

따라서 초전도는 저항이 없는 전자회로나 초전도 자기 부상열차 등에 이용될 것으로 기대되고 있습니다.

또한 초전도가 발생하는 것은 보스 아인슈타인 응축과 동일한 저온 환경입니다.

그 때문에 연구자들은 양자간에 어떤 연관성이 있지 않을까라고 생각했습니다.

만약 보스 아인슈타인 응축으로 초전도가 확인되면 파동으로서의 성질을 가진 물질에 저항 없이 전기를 통할 수 있게 됩니다.

그러나 오늘에 이르기까지 실험적인 증명에는 아무도 성공하지 못했습니다.

일본의 연구자들은 도대체 어떻게 해서 난관을 돌파 했을 까요?

■ 초정밀도 관측 장치

Credit:東京大学

 

역사적인 증명을 하는데 있어 연구자들은 실험 소재로 셀레늄화 철(분자식: FeSe)인 셀레늄 원자의 약 20%를 유황(S)으로 대체한 철계 소재를 선택했습니다.

이 특수한 철계 소재는 저온에서 초전도를 일으키는 것으로 알려져 있을 뿐만 아니라 계산상 보스 아인슈타인 응축도 일으킬 가능성이 있었습니다.

그래서 연구자들은, 우선 초전도 상태를 일으키고, 이어서 새롭게 개발된 세계 최고 정밀도의 광전자 분광 장치를 사용하여 전자의 에너지 상태를 조사했습니다.

만일 기존과 같은 초전도현상만 일어나고 있는 경우 전자의 에너지 상태는 위 그림의 좌측과 같은 M자 형상을 나타 냅니다.

반면에 초전도와 함께 보스 아인슈타인 응축이 발생하는 경우 전자의 에너지 상태는 그림 오른쪽과 같은 보다 매끄 러운 분포를 보입니다.

측정을 실시한 결과는…명백한 우측 패턴으로 나타났습니다.

이는 초전도가 기존의 생성원리와는 달리 보스 아인슈 타인 응축에 의해 초전도가 발생했음을 나타 냅니다.

■ 제5의 상태에서 물질은 초전도성을 갖는다.

Credit: depositphotos

 

이번 연구에서 물질의 제5 상태(보스 아인슈타인 응축)에서의 초전도라는 새로운 물리현상이 확인 되었습니다.

이전에 발표된 연구에서는 초고압 대신 상온에서의 초전도를 실현했습니다. (앞전 글)

그러나 보스 아인슈타인 응축은 기존의 초전도보다 높은 온도에서 일으킬 수 있다고 생각되어지며 앞으로의 연구에서는 보다 고온에서의 초전도 실현으로 이어질 가능성이 있습니다.

초전도상태를 상온 상압에서 달성할 수 있다면 전 세계에 초전도 전선을 통해 전력손실이 적은 송전을 할 수 있을지 도 모르겠네요.
reference: 東京大学



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