물리학자들이 구리가 없는 고온 초전도 산화물을 발견하다

싱가포르 국립대(NUS) 물리학과의 Ariando 교수와 Stephen Lin Er Chow 박사는 주변 압력에서 약 40켈빈(K) 또는 약 영하 233도 섭씨(deg C)에서 초전도성을 가질 수 있는 획기적인 신소재인 구리 없는 초전도 산화물을 설계하고 합성했습니다. 이 발견은 고온 초전도 연구의 최전선에서 NUS와 싱가포르의 리더십을 더욱 발전시킵니다.

1987년 노벨 물리학상을 수상한 구리 산화물 초전도체가 발견된 지 거의 40년이 지난 지금, NUS 연구진은 구리 산화물을 넘어 비전통적 초전도체에 대한 이해를 확장하는 또 다른 고온 초전도 산화물을 발견했습니다.

초전도체의 약속

현대 전자제품은 작동 중에 열을 발생시키고 에너지를 소모합니다. 그러나 초전도체는 전기 저항으로 인한 에너지 손실을 제거하는 제로 저항 상태라는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 이론적으로 이는 현대 전자 응용 분야에 이상적이며, 세계의 증가하는 에너지 수요를 해결합니다.

초전도체 물질 수천 개가 발견되었지만, 대부분은 절대 영도(0 K)에 가까운 매우 낮은 온도, 즉 영하 273도 C에서만 작동하기 때문에 널리 사용하기에 비실용적입니다.

1987년 노벨상 획기적 발전

약 40년 전, 물리학자 요하네스 베드노르츠와 칼 뮐러는 새로운 종류의 초전도체인 구리 산화물을 발견했습니다. 이 물질은 30K 이상의 온도에서 초전도성을 나타내는데, 이는 이전에 알려진 모든 초전도체보다 훨씬 높은 수치입니다.

이 획기적인 발견으로 노벨 물리학상이 수여되었고, 고온 초전도 연구의 토대가 마련되었습니다. 오늘날까지도 산화구리는 격자 압축이 필요 없이 주변 압력에서 30K 이상, 즉 약 -243 dec C에서 작동하는 유일한 초전도 산화물로 남아 있습니다.

구리를 넘어서는 획기적인 발전

일련의 연구에서 아리안도 교수와 초우 박사는 계층적 시스템의 층간 상호 작용과 초전도 온도 사이에 직접적인 상관 관계가 있음을 확인했습니다.

연구자들은 이러한 통찰력을 바탕으로 구리 산화물과 유사하지만 구리가 없는 고온 초전도성을 가질 수 있는 여러 화합물을 예측하는 현상학적 모델을 개발했습니다.

연구팀은 예측 물질 중 하나인 (Sm-Eu-Ca)NiO₂ 니켈 산화물을 성공적으로 합성하였고, 이 화합물에서 30K 이상에서 전기 저항이 0(초전도성)임을 확인했습니다.

초우 박사는 "우리가 예측하고 설계한 대로, 이 비구리 기반 초전도 산화물은 해수면에서 대기압 하에서 추가 압축 없이 고온 초전도성을 보여줍니다. 구리 산화물과 마찬가지입니다. 이 발견은 비전통적인 고온 초전도성이 구리에만 국한되지 않고 주기율표의 원소들 사이에서 더 널리 퍼진 특성일 수 있음을 시사합니다."라고 말했습니다.

Ariando 교수는 "이러한 관찰은 현대 전자공학에서 실용적으로 응용되는 더 광범위한 초전도 재료의 이론적 이해와 실험적 구현에 큰 영향을 미칩니다."라고 덧붙였습니다.

이 연구 결과는 2025년 3월 20일 과학 저널 네이처 에 게재되었습니다.

고온초전도체의 경계를 확장하다

"노벨상 수상 이후 구리가 없는 고온 초전도 산화물이 주변 압력에서 작동하는 것으로 밝혀진 것은 이번이 처음입니다."라고 아리안도 교수는 강조했습니다.

"또한, 이 새로운 소재는 주변 조건에서 매우 안정적이어서 접근성을 크게 향상시킵니다."

이 발견은 재료 자체에 대한 관심뿐만 아니라 새로운 종류의 고온 초전도체의 광범위한 잠재력에 대한 관심을 불러일으켰습니다.

추가 연구 및 미래의 의미

연구팀은 전자 점유 이동 및 정수압과 같은 튜닝 매개변수를 탐구하면서 재료의 고유한 특성을 계속 조사하고 있습니다. 이러한 노력은 고온 초전도 메커니즘에 대한 이해를 심화하고 더 높은 작동 온도를 가진 더 광범위한 초전도체 계열을 합성할 수 있는 길을 여는 것을 목표로 합니다.

이 연구에 기여한 또 다른 사람으로는 연구팀에 속한 NUS 박사과정 학생인 Zhaoyang Luo 씨가 있는데, 그는 전자 현미경을 사용하여 합성된 물질의 높은 결정성과 순수한 상 특성을 보여주었습니다.

이번 획기적인 성과는 현대 전자공학과 에너지 효율 기술에 실용적으로 응용될 수 있는 차세대 초전도체 소재 개발을 향한 중요한 진전을 나타냅니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250327141944.htm