천연 광물로도 나타나는 최초의 비전통적인 초전도체 확인
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-04-08 21:33:09
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- 현재까지 알려진 초전도체 물질의 모든 재료는 순전히 합성
- 자연에서 알려진 광물 중 순수하고 실험실에서 성장한 결정이 초전도성을 띠는 광물은 4개뿐
- 1930년대 실험실에서 생성된 로듐-황 화합물(Rh17S15) 재조사
- “자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”
초전도체는 저항이 거의 없이 전기를 전도할 수 있다. 이는 결정 격자의 전자가 강하게 냉각될 때 소위 쿠퍼 쌍으로 놓여지기 때문에 발생한다. 이들은 모든 입자가 동일한 양자 상태를 갖고 저항이 없는 단위처럼 움직이는 일종의 초유체를 형성한다. 그러나 구리산염, 금속 수소화물 또는 우라늄 디텔루라이드를 포함해 훨씬 더 높은 온도에서 저항을 잃는 일부 초전도체도 있으며 그 뒤에는 다른 비전통적인 메커니즘이 있다.
그런데 그러한 초전도체는 자연에도 존재하는가? 현재까지 알려진 이러한 유형의 거의 모든 재료는 순전히 합성이다. 즉, 자연적인 대응물 없이 실험실에서 만들어졌다. 지금까지 자연에서 알려진 광물 중 순수하고 실험실에서 성장한 결정이 초전도성을 띠는 광물은 4개뿐이다. 그중에는 일반적인 황화구리 광물인 코벨린(Covellin)과 다른 세 가지 광물이 있다. 그러나 네 가지 모두 쿠퍼 쌍을 기반으로 하는 기존 화합물로 간주되었다.
미네랄 미아사이트(Mineral Miassite)가 시험대에 올랐다.
아이오와 주립대학교 김현수 교수팀이 이 네 가지 광물 중 하나를 자세히 조사했다. 1930년대 실험실에서 생성된 로듐-황 화합물(Rh17S15)이다. "직관적으로 당신은 실험실에서 의도적으로 만들어진 것이 자연에서는 일어날 수 없다고 생각한다"고 김의 동료인 루슬란 프로조로프(Ruslan Prozorov)가 말했다. "하지만 알고 보니 그렇더군요."
실제로 1960년대 러시아 미아스 강에서 같은 구조의 광물이 발견돼 미아사이트라는 이름이 붙었다. "미아사이트는 매우 드물며 일반적으로 자연에서 매우 규칙적인 결정을 형성하지 않는다"고 Kim의 동료인 폴 캔필드(Paul Canfield)는 설명했다. 작은 미아사이트 입자는 일반적으로 니켈, 철, 백금 및 구리와 같은 외부 원자로 심하게 오염되어 있다. 이는 자연적으로 발생하는 광물이 초전도체가 아니지만 실험실에서 만든 순수한 형태라는 것을 의미한다.
테스트 결과 색다른 행동이 드러났다.
그런데 미아사이트의 초전도성은 무엇에 근거한 걸까? 이것이 바로 Kim과 그의 팀이 처음으로 더 자세히 조사한 내용이다. 이를 위해 그들은 미아시트에 대해 다양한 테스트를 거쳤으며 무엇보다도 소위 "런던 침투 깊이"를 결정했다. 이는 외부 자기장이 초전도체 내부로 얼마나 깊이 침투할 수 있는지를 보여준다. 기존의 초전도체에서 이 값은 전이 온도 이하에서는 대체로 일정하다. 반면에 미아사이트를 사용하면 침투 깊이가 온도에 따라 선형적으로 변한다고 팀이 보고했다.
또 다른 테스트에서 연구원들은 특히 광물의 결정 격자에 결함을 생성하기 위해 고에너지 전자로 미아사이트에 충격을 가했다. 예상한 대로 이로 인해 전이 온도가 감소하여 초전도 상태로 전이되었다. 그러나 이러한 측정값은 기존 초전도체의 측정값과도 일치하지 않았다.
“자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”
즉, 이전에 생각했던 것과는 달리 미아사이트는 일반적인 초전도체가 아니다. 냉각 시 저항 없는 전도는 대신 비전통적인 메커니즘을 기반으로 한다. 이로 인해 이 물질은 자연에서도 발견되는 최초의 비전통적인 초전도체가 되었다. 그러나 미아사이트는 자연계에 항상 수많은 불순물을 함유하고 있기 때문에 초전도체가 아니다. 김과 그의 팀은 “자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”고 말했다.
그들은 미래에 그러한 비전통적인 초전도체 뒤에 있는 메커니즘에 대해 더 많이 알아내기를 희망한다. 그중에는 실온에서 원하는 초전도성을 가능하게 하는 물질도 있을 수 있기 때문이다. “메커니즘을 아는 것이 초전도성을 경제적으로 건전하게 적용하는 열쇠다”고 연구원들은 말했다.
참고; Communications Materials, 2024; doi: 10.1038/s43246-024-00456-w)
출처: U.S. Department of Energy / Ames National Laboratory
- 현재까지 알려진 초전도체 물질의 모든 재료는 순전히 합성
- 자연에서 알려진 광물 중 순수하고 실험실에서 성장한 결정이 초전도성을 띠는 광물은 4개뿐
- 1930년대 실험실에서 생성된 로듐-황 화합물(Rh17S15) 재조사
- “자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”
미네랄 미아사이트가 독특한 이유
과학자들이 자연에서 최초의 색다른 초전도체를 발견했다.
지금까지 거의 모든 초전도체는 순전히 합성으로 생성된 물질이었다. 자연에서는 발생하지 않는다. 연구원들이 이제 천연 광물로도 나타나는 최초의 비전통적인 초전도체를 확인했다. 광물 미아사이트는 전자쌍과 같은 고전적인 메커니즘을 통해서가 아니라 좀 더 이국적인 방식으로 전기 저항을 잃는다는 사실이 실험을 통해 밝혀졌다. 이것은 지금까지 자연에서 독특하다.
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| ▲ 희귀 광물 미아사이트는 1960년대에 발견되었다. 그러나 이 로듐-황 화합물이 비전통적인 초전도체인 것이 이제서야 밝혀졌다. 다음은 러시아 미아스강(Russian Miass River)의 모종 산지에서 나온 미아사이트 알갱이다. © David Hospital/ CC-by-sa 4.0 |
초전도체는 저항이 거의 없이 전기를 전도할 수 있다. 이는 결정 격자의 전자가 강하게 냉각될 때 소위 쿠퍼 쌍으로 놓여지기 때문에 발생한다. 이들은 모든 입자가 동일한 양자 상태를 갖고 저항이 없는 단위처럼 움직이는 일종의 초유체를 형성한다. 그러나 구리산염, 금속 수소화물 또는 우라늄 디텔루라이드를 포함해 훨씬 더 높은 온도에서 저항을 잃는 일부 초전도체도 있으며 그 뒤에는 다른 비전통적인 메커니즘이 있다.
그런데 그러한 초전도체는 자연에도 존재하는가? 현재까지 알려진 이러한 유형의 거의 모든 재료는 순전히 합성이다. 즉, 자연적인 대응물 없이 실험실에서 만들어졌다. 지금까지 자연에서 알려진 광물 중 순수하고 실험실에서 성장한 결정이 초전도성을 띠는 광물은 4개뿐이다. 그중에는 일반적인 황화구리 광물인 코벨린(Covellin)과 다른 세 가지 광물이 있다. 그러나 네 가지 모두 쿠퍼 쌍을 기반으로 하는 기존 화합물로 간주되었다.
미네랄 미아사이트(Mineral Miassite)가 시험대에 올랐다.
아이오와 주립대학교 김현수 교수팀이 이 네 가지 광물 중 하나를 자세히 조사했다. 1930년대 실험실에서 생성된 로듐-황 화합물(Rh17S15)이다. "직관적으로 당신은 실험실에서 의도적으로 만들어진 것이 자연에서는 일어날 수 없다고 생각한다"고 김의 동료인 루슬란 프로조로프(Ruslan Prozorov)가 말했다. "하지만 알고 보니 그렇더군요."
실제로 1960년대 러시아 미아스 강에서 같은 구조의 광물이 발견돼 미아사이트라는 이름이 붙었다. "미아사이트는 매우 드물며 일반적으로 자연에서 매우 규칙적인 결정을 형성하지 않는다"고 Kim의 동료인 폴 캔필드(Paul Canfield)는 설명했다. 작은 미아사이트 입자는 일반적으로 니켈, 철, 백금 및 구리와 같은 외부 원자로 심하게 오염되어 있다. 이는 자연적으로 발생하는 광물이 초전도체가 아니지만 실험실에서 만든 순수한 형태라는 것을 의미한다.
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| ▲ 이 작지만 매우 순수한 미아사이트 결정은 실험실에서 성장하여 테스트에 사용됐다. © DOE/ Ames National Laboratory |
테스트 결과 색다른 행동이 드러났다.
그런데 미아사이트의 초전도성은 무엇에 근거한 걸까? 이것이 바로 Kim과 그의 팀이 처음으로 더 자세히 조사한 내용이다. 이를 위해 그들은 미아시트에 대해 다양한 테스트를 거쳤으며 무엇보다도 소위 "런던 침투 깊이"를 결정했다. 이는 외부 자기장이 초전도체 내부로 얼마나 깊이 침투할 수 있는지를 보여준다. 기존의 초전도체에서 이 값은 전이 온도 이하에서는 대체로 일정하다. 반면에 미아사이트를 사용하면 침투 깊이가 온도에 따라 선형적으로 변한다고 팀이 보고했다.
또 다른 테스트에서 연구원들은 특히 광물의 결정 격자에 결함을 생성하기 위해 고에너지 전자로 미아사이트에 충격을 가했다. 예상한 대로 이로 인해 전이 온도가 감소하여 초전도 상태로 전이되었다. 그러나 이러한 측정값은 기존 초전도체의 측정값과도 일치하지 않았다.
“자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”
즉, 이전에 생각했던 것과는 달리 미아사이트는 일반적인 초전도체가 아니다. 냉각 시 저항 없는 전도는 대신 비전통적인 메커니즘을 기반으로 한다. 이로 인해 이 물질은 자연에서도 발견되는 최초의 비전통적인 초전도체가 되었다. 그러나 미아사이트는 자연계에 항상 수많은 불순물을 함유하고 있기 때문에 초전도체가 아니다. 김과 그의 팀은 “자연은 자신의 비밀을 숨기는 방법을 알고 있다”고 말했다.
그들은 미래에 그러한 비전통적인 초전도체 뒤에 있는 메커니즘에 대해 더 많이 알아내기를 희망한다. 그중에는 실온에서 원하는 초전도성을 가능하게 하는 물질도 있을 수 있기 때문이다. “메커니즘을 아는 것이 초전도성을 경제적으로 건전하게 적용하는 열쇠다”고 연구원들은 말했다.
참고; Communications Materials, 2024; doi: 10.1038/s43246-024-00456-w)
출처: U.S. Department of Energy / Ames National Laboratory
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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