.New Tunneling Technique Reveals Hidden Properties of High-Temperature Superconductors
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.New Tunneling Technique Reveals Hidden Properties of High-Temperature Superconductors
새로운 터널링 기술로 고온 초전도체의 숨겨진 특성 밝혀내
막스 플랑크 화학 연구소2025년 5월 3일, 초전도체 초전도 기술 막스 플랑크 연구소 연구진은 극한 압력 하에서 황화수소(H₃S)의 초전도 간극을 직접 측정할 수 있는 새로운 평면 전자 터널링 분광법을 개발했습니다. 이를 통해 전자-포논 상호작용이 고온 초전도 현상의 메커니즘임을 확인했습니다. 출처: SciTechDaily.com
고압 전자 터널링 분광법은 H₃S와 D₃S에 초전도 갭이 존재함을 보여줍니다. 초전도체는 저항 없이 전류를 전도할 수 있는 물질로, 에너지 전송, 자기 부상, 에너지 저장, 양자 컴퓨팅 과 같은 응용 분야에 필수적입니다 . 전통적으로 초전도성은 극저온에서만 관찰되어 실제 응용에 제한이 있었습니다. 하지만 수소가 풍부한 화합물, 특히 황화수소(H₃S)와 십수소란탄(LaH₁₀)에서 초전도성을 발견하면서 중요한 돌파구가 마련되었습니다. H₃S는 203켈빈(-70°C)에서 초전도성을, LaH₁₀는 250켈빈(-23°C)에서 초전도성을 나타냅니다. 이러한 획기적인 발견은 연구자들이 오랫동안 추구해 온 상온 초전도성에 상당히 가까워지는 계기가 되었습니다. 이러한 물질은 임계 온도가 액체 질소의 비등점(77K)보다 훨씬 높기 때문에 고온 초전도체로 분류됩니다.
초전도성의 근본적인 측면 중 하나는 초전도 간극(superconducting gap)입니다. 이는 전자들이 어떻게 쌍을 이루어 초전도 상태를 형성하는지를 나타내는 핵심 특성입니다. 이 간극을 파악하는 것은 초전도 상태를 일반적인 금속 상태와 구별하는 데 필수적입니다. 그러나 H₃S와 같은 수소가 풍부한 물질의 초전도 간극을 측정하는 것은 매우 어려운 것으로 드러났습니다. 이러한 화합물은 다이아몬드 앤빌 셀 내부에서 대기압의 백만 배 이상의 초고압 조건에서 합성되어야 합니다. 이러한 극한 조건에서는 주사 터널링 분광법(STS)이나 각분해능 광전자 분광법(ARPES)과 같은 기존 측정 기법으로는 불가능합니다. 터널링 기술은 수소가 풍부한 화합물의 초전도 상태에 대한 직접적인 통찰력을 제공합니다. 이러한 장벽을 극복하기 위해 마인츠에 있는 막스 플랑크 연구소의 연구진은 극한 조건에서도 작동 가능한 평면 전자 터널링 분광법을 개발했습니다.
이 성과를 통해 연구진은 최초로 H₃S의 초전도 간극을 조사하여 수소가 풍부한 화합물의 초전도 상태에 대한 직접적인 통찰력을 얻을 수 있었습니다 . 이 기술을 이용하여 연구진은 H3S 가 약 60밀리전자볼트(meV)의 완전히 열린 초전도 간극을 보이는 반면, 중수소 유사체인 D3S 는 약 44meV의 간극을 보인다는 것을 발견했습니다. 중수소는 수소 동위원소이며 중성자가 하나 더 많습니다. D3S 의 간극이 H3S 보다 작다는 사실은 전자와 포논(물질 원자 격자의 양자화된 진동)의 상호작용이 H3S의 초전도 메커니즘을 유발함을 확인시켜 주며 , 이는 오랫동안 이론적으로 예측되어 온 것을 뒷받침합니다. 마인츠 연구진에게 이 획기적인 발견은 단순한 기술적 성취를 넘어, 수소가 풍부한 재료에서 고온 초전도성의 기원을 완전히 규명할 수 있는 토대를 마련했습니다. "이 터널링 기술을 다른 수소화물 초전도체로 확장함으로써 더 높은 온도에서도 초전도성을 가능하게 하는 핵심 요인을 정확히 파악할 수 있기를 바랍니다.
이를 통해 궁극적으로 더욱 실용적인 조건에서 작동할 수 있는 새로운 재료의 개발이 가능해질 것입니다."라고 이번 연구의 제1저자인 펑 두 박사는 말했습니다. 2024년 11월에 세상을 떠난 고압 초전도 분야의 선구자 미하일 에레메츠 박사는 이 연구를 "2015년 H₃S에서 초전도성이 발견된 이후 수소화물 초전도 분야에서 가장 중요한 연구"라고 설명했습니다. 막스 플랑크 화학연구소 고압 화학 및 물리학 프로젝트 책임자인 바실리 민코프는 "이 연구를 통해 상온과 중간 압력에서 작동하는 초전도체에 대한 미하일의 비전이 현실에 한 걸음 더 다가갔습니다."라고 말했습니다. 초전도에 대하여 초전도성은 저항 없이 전류를 흐르게 하는 물질의 놀라운 특성입니다.
1911년 하이케 카메를링 오네스가 순수 수은에서 발견한 이 현상은 절대 영도 (-273°C)에 가까운 극저온에서 존재한다고 오랫동안 믿어져 왔습니다. 1980년대 후반 게오르크 베드노르츠와 칼 알렉산더 뮐러가 대기압에서 고온 초전도성을 보이는 새로운 산화구리(구리산) 초전도체를 발견하면서 이러한 패러다임은 바뀌었습니다. 전 세계적인 연구 물결이 이어졌고, 결국 물질이 저항을 잃는 온도인 임계 온도( Tc ) 는 상압에서 약 133K, 고압에서는 164K에 도달했습니다. 그러나 수소가 풍부한 화합물이 등장하기 전까지는 더 높은 임계 온도 (Tc )를 가진 초전도체는 발견되지 않았습니다.
미하일 에레메츠 박사가 이끄는 연구팀이 메가바 압력(Tc = 203 K)에서 H3S 의 초전도성 을 발견함으로써 상온 부근에서 초전도성을 달성하는 데 있어 획기적인 진전을 이루었습니다. 이 획기적인 발견에 이어 YH9 ( Tc ≈ 244 K) 및 LaH10(Tc ≈ 250 K ) 과 같은 수소가 풍부한 금속 수소화물에서 훨씬 더 높은 Tc 값 이 발견되었습니다. 현재 이론 모델은 극한 압력 하에서 수소가 지배적인 여러 시스템에서 상온 이상에서 초전도성을 예측하고 있습니다. 쿠퍼 쌍과 초전도 갭에 관하여 일반 금속에서는 페르미 준위 근처의 에너지 상태를 가진 전자가 자유롭게 흐를 수 있습니다. 페르미 준위는 절대 영도에서 고체 전자가 차지할 수 있는 가장 높은 에너지 준위에 해당합니다. 그러나 물질이 초전도체가 되면 전자는 소위 쿠퍼 쌍을 형성하여 집단 양자 상태가 됩니다. 높은 상관관계를 가진 쿠퍼 쌍 전자는 물질의 결정 구조에 있는 포논이나 불순물과 산란되지 않고 단일체처럼 움직이므로 저항이 없습니다.
이 쌍은 페르미 준위 근처의 에너지 갭, 즉 초전도 갭을 특징으로 합니다. 이는 쿠퍼 전자쌍을 분리하는 데 필요한 최소 에너지입니다. 이 갭의 존재는 초전도 상태를 산란과 같은 교란으로부터 보호합니다. 초전도 갭은 초전도체 양자 상태를 결정하는 중요한 특징입니다. 초전도 갭의 값과 대칭성은 전자가 어떻게 상호작용하고 쌍을 이루는지에 대한 중요한 통찰력을 제공하며, 초전도 메커니즘을 보여주는 지문과 같은 역할을 합니다.
참고문헌: Feng Du, Alexander P. Drozdov, Vasily S. Minkov, Fedor F. Balakirev, Panpan Kong, G. Alexander Smith, Jiafeng Yan, Bin Shen, Philipp Gegenwart, Mikhail I. Eremets 저, "터널링 분광법으로 측정한 H3S의 초전도 갭", 2025년 4월 23일, Nature . DOI: 10.1038/s41586-025-08895-2
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