국내 연구진, 카드뮴으로 고온초전도 제어 기술 밝혀

성균관대학교 물리학과 박두선 교수(좌), 성균관대학교 물리학과 서순범 박사과정 연구원(우)

국내 연구진이 카드뮴(Cd)으로 고온초전도체를 제어할 수 있다는 사실을 알아냈다.

미래창조과학부는 박두선 성균관대학교 물리학과 교수가 주도하고 서순범 박사과정 연구원 등이 참여한 연구진이 이같은 사실을 규명했다고 9일 밝혔다.

초전도체는 꿈의 전선 초전도 케이블에서 자기공명장치·자기부상열차 등에 이르기까지 정밀한 전자 제어가 중요한 산업에 널리 응용된다.

연구결과는 네이쳐피직스(Nature Physics)의 지난달 22일자 온라인판에 게재됐다.

카드뮴은 고온초전도체 형성원인을 밝힐 실마리다.

초전도체는 저항이 0이 돼 전류 손실 없이 자유롭게 흐르는 초전도현상을 보이는 물질을 말한다. 고온초전도체는 액체질소온도 77K(영하196℃)보다 높은 온도에서 초전도현상을 보인다.

고온초전도체에 필요한 액체 질소는 저온초전도체의 액체 헬륨보다 가격이 저렴해 활용폭이 넓어 차세대 물질로 주목받았으나 현상 원인을 밝혀내는 것이 어려웠다.

성균관대 연구팀은 초전도성을 띠는 화합물에 1% 이하 미량의 카드뮴을 첨가해 인듐(In)을 치환해도 초전도 현상이 사라지지 않는 것을 알아냈다. 

미량의 카드뮴 첨가로 초전도 현상을 제어할 수 있게 되면 초전도 산업분야에 기여할 것으로 기대된다.

한편 극저온에서 압력을 가하면 다시 초전도 현상으로 회복되나 양자임계현상은 나타나지 않는 것으로 밝혀졌다.

양자임계현상은 온도 0K(영하 273℃)에서 압력이나 자기장 등 주변 환경을 변화시킬 때 열적요동이 아닌 양자요동으로 인해 나타나는 초전도 등으로 고전물리이론으로 설명되지 않는 현상이다. 

즉, 초전도체에 카드뮴을 첨가하면 주위에 저항처럼 작용하는 스핀물방울이 쏠려 초전도 현상이 억제된다. 여기에 다시 압력을 가해 스핀물방울을 적게 만들면 초전도 현상이 회복되나 스핀물방울이 사라지지 않는다. 이를 통해 양자임계현상이 비가역적인 반응이라는 것을 발견했다.

박 교수는 “물이 얼었다 따뜻해지면 다시 녹듯 극저온에서 고체상태의 전자들이 압력을 받아 액체로 바뀌지만 미량의 전자 불순물들이 고체상태를 유지해 새로운 양자역학적 현상이 나타난다”고 설명했다.