철계 초전도체로 세계 최고 수준의 초전도 전류를 흐르게 하는데 나고야대 등이 성공함

나고야대학, 도쿄농공대학(농공대), 규슈대학, 과학기술진흥기구(JST) 는 10월 22일 철계 고온초전도체 중 실용화가 기대되는 '(Ba,K) Fe2As2'에서 수T라는 비교적 큰 자기장 안에서 세계 최고 수준의 초전도전류를 흐르게 하는데 성공했다고 발표했다.

동성과는 나고야대 대학원 공학 연구과의 이이다 카즈마사 준교수, 하타노 타카시 조교는 미국립 강자기장 연구소의 타란티니 키아라 박사, 농공대의 진동익 대학원생, 나이토 마사오 시니어 프로페서, 야마모토 아키야스 준교수, 규슈대의 곽자모 대학원생, 고홍연 박사 연구원, 오 토오 아키오 박사에 의한 것이다.

자세한 것은, 영과학잡지 'Nature' 와관련된 재료 과학을 취급하는 학술잡지 'NPG Asia Materials'에 게재되었다.

외부 자계를 인가하면, 양자화된 자속이 초전도 체내에 침입.이 상태에서 전류를 흐르게 하면 자속 양자 간의 로렌츠 능력은 작용한다

연구팀이 이번에 착안한 (Ba, K)Fe2As2는 Ba사이트를 K로 부분치환을 하면 초전도가 발현되며, 그 최고전이온도는 약 38K(-235℃)라는 철계 초전도체로 알려져 있다.

연구에서는 두께 100nm 정도의 (Ba, K) Fe2As2 박막이 제작되었으며 박막을 성장시키는 밑바탕(기판)에는 산소를 포함하지 않으며, (Ba, K) Fe2As2와 격자부정합도가 작은 플루오르화칼슘(CaF2)이 사용되었다.

(위) 제작된 (Ba,K) Fe2As2 박막의 모식도. 결정입계가 핀닝센터로 작용하여 로렌츠력에 의한 자속양자의 운동을 방해함.(아래)(Ba,K) Fe2As2 박막단면의 명시야 주사형 투과전자현미경상. 폭 30~60nm의 주상결정립이 CaF2 기판에서 거의 수직으로 성장하고 있는 모습을 알 수 있다.

성장온도는 (Ba, K) Fe2As2 융점 (~1000℃)의 절반 이하로 되고 휘발성이 높은 K도 효율적으로 막중에 받아들여져 조성차이가 적은 (Ba, K) Fe2As2 박막이 형성되고 성장온도의 저온화로 결정립은 미세화된 결과 소경각립계의 밀도가 높아졌다고 한다.

또 (Ba, K) Fe2As2 박막의 미세 구조에서는 주상결정립이 CaF2 기판에 거의 수직인 방향으로 성장해 서로 약간의 방위차를 가지고 박막을 구성하고 있다고 한다.

제작된 (Ba,K) Fe2As2 박막의 자속핀닝력밀도의 외부자기장 의존성. 이번에 제작된 박막시료는 단결정시료(납이온조사없음)에 비해 핀닝력밀도가 높아 고자기장영역에서는 약 10배나 된다.납 이온 조사된 단결정 시료에 비교해도 4T 이하로 높은 핀닝력 밀도를 얻을 수 있다고 한다.

이렇게 해서 박막 중에 도입된 무수한 소경각 입계가 핀닝 센터로 작용하여 전자장 영역에서 단결정 시료에 비해 큰 자속 핀닝력 밀도를 갖는 것이 밝혀졌다.

또 4 T이하의 자기장하에서도 중이온 조사된 단결정 시료보다 높은 자속 핀닝력 밀도를 가지는 것도 확인되었다고 한다.

중이온 조사와 같은 특수한 방법을 사용하지 않아도 이번 연구와 같은 간단하고 저렴한 방법으로 세계 최고 수준의 초전도 특성을 얻을 수 있었다는 점에서 연구팀은 의료용 MRI 등에 사용되는 강자장 발생용 자석에 대한 응용 전개가 기대된다고 밝혔다.

또한 앞으로는 이번에 얻은 기초연구 성과를 바탕으로 이론, 계산, 데이터 과학 등과 융합함으로써 고성능 다결정형 철계 고온 초전도 재료를 만들기 위한 새로운 프로세스의 설계나 효율적인 탐색으로 전개해 나가기로 했다.

관련원문은 아래링크를 참고
Approaching the ultimate superconducting properties of (Ba,K)Fe2As2 by naturally formed low-angle grain boundary networks



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