과학자들이 단순한 분자 고체를 매우 높은 압력에서 수소로 압축, 처음으로 실온에서 초전도 물질을 만들었다.

논문은 네이처(Nature) 저널 커버 스토리로 게재 됐다.

영국 로체스터 대학(University of Rochester) 물리학 및 기계공학 조교수 렌가 디아스(Ranga Dias) 전기 저항과 실온에서 자기장의 방출없이 초전도 물질을 개발하는 것이 응축 물질 물리학의 “성배”라고 말한다. 한 세기 이상 연구해온 재료에 대해 디아스는 “우리가 알고있는 세상을 확실히 바꿀 수 있다”고 말다.

연구팀은 수소와 탄소 및 황을 결합해 매우 높은 압력에서 미세한 양의 물질을 조사하는 데 사용되는 연구 장치인 다이아몬드 앤빌 셀에서 간단한 유기 유래 탄소질 황수소화물(carbonaceous sulfur hydride)을 광화학적으로 합성했다. 탄소질 황수소화물은 약 화씨 58도(섭씨 14.4 ℃) 및 약 3900만 psi의 압력에서 초전도성을 나타냈다. 초전도 물질이 상온에서 관찰된 것은 이번이 처음이다.

이 연구의 공동 저자 네바다 라스 베이거스 대학 ,아쉬칸 살라맛(Ashkan Salamat)은 “저온의 한계로 인해 이러한 비범한 특성을 가진 재료는 많은 사람들이 상상할 수있는 방식으로 세상을 완전히 변화시키지 못했다. 그러나 우리의 발견은 이러한 장벽을 허물고 많은 잠재적 응용 분야의 문을 열 것”이라고 설명했다.

응용 프로그램은 다음과 같다.

전선의 저항으로 인해 현재 발생하는 에너지의 최대 2 억 메가 와트시(MWh) 손실없이 전기를 전송하는 전력망.

부상 열차 및 기타 교통 수단을 추진하는 새로운 방법. MRI 및 자기 심장 검사와 같은 의료 영상 및 스캐닝 기술

디지털 로직 및 메모리 장치 기술을 위한 더 빠르고 효율적인 전자 장치.

연구진은 “우리는 반도체 사회에 살고 있으며 이러한 기술을 사용하면 사회를 배터리 같은 것들이 다시는 필요하지 않을 초전도 사회로 전환할 수 있다”고 덧붙였다.

발견

다이아몬드 모루 셀(diamond anvil cells)에 의해 생성된 초전도 물질의 양은 단일 잉크젯 입자 크기에 해당하는 피코 리터 단위로 측정된다. 다음 과제는 더 낮은 압력에서 실온 초전도 물질을 만드는 방법을 찾는 것이다. 더 많은 양으로 생산하는 것이 경제적이다. 다이아몬드 모루 셀에서 생성된 수백만 파운드의 압력과 비교할 때 해수면에서 지구의 대기압은 약 15 PSI다.

실온 초전도

1911년에 처음 발견 된 초전도성은 재료에 두 가지 주요 특성을 부여한다. 전기 저항 제거와 ‘Meissner’ 효과라고 불리는 현상으로 인해 자기장의 형태 없음이다. 자기장 선은 초전도 물질 주변을 통과해야 하므로 이러한 물질을 공중 부양할 수 있다. 이는 자기 부상 열차로 알려진 마찰없는 고속 열차에 사용될 수 있다. 강력한 초전도 전자석은 자기 공명 영상(MRI) 및 핵 자기 공명(NMR) 기계, 입자 가속기 및 초기 양자 슈퍼 컴퓨터를 포함한 기타 고급 기술의 중요한 구성 요소다.

장치에 사용되는 초전도 물질은 일반적으로 지구상의 어떤 자연 온도보다 낮은 극도로 낮은 온도에서만 작동한다. 이러한 제한으로 인해 유지 관리 비용이 많이 들고 다른 잠재적 인 응용 프로그램으로 확장하기에는 너무 많은 비용이 든다.

이전에는 독일 마인츠에있는 막스 플랑크 화학 연구소의 미하일 에레메츠 실험실과 미국 시카고 일리노이 대학의 러셀 헴리 그룹에서 초전도 물질의 최고 온도를 달성했다. 그 팀은 란탄 과수소화물을 사용하여 화씨 –10-8도에서 초전도성을 보고했다. 연구원들은 또한 최근 몇 년 동안 고온 초전도체의 잠재적 후보로 산화 구리와 철 기반 화학 물질을 탐색했다. 그러나 우주에서 가장 풍부한 원소 수소는 또한 유망한 구성 요소를 제공한다.

디아스는 “고온 초전도체를 가지려면 더 강한 결합과 가벼운 요소를 원한다. 이것이 두 가지 매우 기본적인 기준”이라며 “수소는 가장 가벼운 물질이고 수소 결합은 가장 강한 물질 중 하나다. 고체 금속 수소는 실온 초전도성에 필요한 높은 ‘Debye’ 온도와 강력한 전자-포논 결합을 갖는 것으로 이론화됐다”고 말했다.

그러나 순수한 수소를 금속 상태로 만들기 위해서는 매우 높은 압력이 필요하다. 이는 2017년 하버드 대학의 아이작 실버라(Isaac Silvera) 교수와 디아스가 연구실에서 처음 달성 했다.

패러다임 전환

로체스터(Rochester)에 있는 디아스 실험실은 순수한 수소의 알기 어려운 초전도 단계를 모방하고 훨씬 낮은 압력에서 금속화할 수 있는 수소가 풍부한 대체 물질을 사용하여 접근 방식에서 “패러다임 전환”을 추구했다. 먼저 실험실은 이트륨과 수소를 결합했다. 생성된 이트륨 과수소화물(yttrium superhydride)은 당시 기록적인 약 12도의 고온과 약 2,600 만 파운드 / 평방 인치의 압력에서 초전도성을 나타냈다.

다음으로 연구실은 공유 수소가 풍부한 유기 유래 물질을 탐구했다. 이 작업으로 탄소질 황수소화물이 생성됐다. 연구자들은 “이 탄소의 존재는 여기서 매우 중요하다”고 보고했다. 이러한 요소 조합의 추가 “구성 조정”은 더 높은 온도에서 초전도를 달성하는 데 핵심이 될 수 있다고 그들은 덧붙였다.

*Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride , Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2801-z