상온 초전도체 뒤에 숨겨진 비밀스러운 사실 (작동 방식, 가능성)

상온 초전도체 뒤에 숨겨진 비밀스러운 사실 (작동 방식, 가능성)

과학계를 달군 입소문

최근 과학계에는 상온 초전도체에 대한 입소문이 빠르게 퍼져나갔습니다. 완벽하게 전기를 전도하는 물질인 초전도체는 지난 1911년 처음 발견된 이래로 오랫동안 물리학자들을 매료시키고 감질나게 만들었습니다. 초전도체는 입자 가속기, 핵융합 장치, MRI 기계, 심지어 자기 부상 열차에도 사용되지만, 더 나아간 광범위하고 일반적인 응용 분야에서는 금지된 온도 제한으로 인해 방해를 받습니다.

 

이러한 이유에서 지금까지 주변 압력과 온도에서 작동하는 것으로 입증된 초전도체는 없습니다. 최근 한국의 과학자들은 이러한 문제를 해결했다고 주장하는 연구 결과를 발표했습니다. 이들은 LK-99라고 불리는 그들의 재료가 섭씨 30도(화씨 86도)에서 거의 0으로 떨어지는 전기 저항률, 즉 전류 흐름에 대한 저항성을 가지고 있다고 주장했습니다. 이들의 주장은 소재를 재현하고 그 특성을 테스트하려는 전 세계적인 경쟁을 촉발했지만, 현재까지 그 누구도 결과를 재현하지 못했습니다.

 

초전도란 무엇인가?

모든 물질에는 저항률이라는 특성이 있는데, 이를 통해 전류를 보내려고 하면 전류의 에너지 중 일부가 필연적으로 손실됩니다.

 

이는 전류를 운반하는 전자가 물질 내부에서 흔들리는 이온과 충돌하여 흐름에 반대를 일으키기 때문입니다. 과학자들은 물질을 냉각시켜 내부 이온의 진동 에너지를 줄이고 충돌률을 낮추면서 저항률도 급격하게 낮췄습니다. 대부분의 물질은 저항률이 0이 되기 위해 절대 영도에 도달할 수 없는 상태에 가야 하지만, 일부 희귀 물질은 절대 영도 온도 이상에서 저항률 0에 도달할 수 있습니다.

 

우리는 이러한 물질을 초전도체라 부릅니다. 최초의 초전도체는 1911년 네덜란드 물리학자 하이케 카메를링 온네스가 과냉각된 수은선(온도가 대략 화씨 영하 452도, 섭씨 영하 269도까지 낮아짐)이 더 이상 전기 흐름에 저항하지 않는다는 사실을 인지한 후 발견됐습니다. 이 관찰로 온네스는 노벨상을 받았으며 그의 관찰은 납, 니오븀, 주석과 같은 다른 원소를 사용해 이루어졌습니다.

 

초전도체의 작동 방식

온네스의 발견에도 불구하고 왜 그런 일이 일어났는지 설명하는 데에는 수십 년이 걸렸습니다. 이 설명은 'BCS 이론'이라는 이름으로 등장했습니다. 발견자이자 1957년 노벨상 수상자인 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼의 이름을 딴 BCS 이론은 전자가 물질을 통과할 때 발생하는 잔물결에서 초전도성이 나타난다고 설명했습니다. 온도가 충분히 낮으면 이러한 잔물결로 인해 원자 내부의 원자핵이 서로 끌어당겨지고, 결과적으로 두 번째 전자를 첫 번째 전자로 끌어당기는 약간의 전하 오프셋이 발생합니다.

 

이 인력의 힘은 정전기적 반발력을 통해 서로 밀어내는 대신 전자가 쿠퍼 쌍으로 결합되는 이상한 일을 발생케 합니다. 쿠퍼 쌍은 고독한 전자의 규칙과 다른 양자 역학적 규칙을 따릅니다. 에너지 껍질을 형성하기 위해 각각의 위에 쌓이는 대신, 그들은 빛의 입자처럼 행동합니다. 무한한 수의 빛은 동시에 공간의 같은 지점을 차지할 수 있는데 재료 전반에 걸쳐 이러한 쿠퍼 쌍을 충분히 생성하면 에너지 손실 없이 흐르는 초유체가 됩니다. 초유체를 한 번 휘저으면 이론적으로 우주가 끝날 때까지 계속 소용돌이치는 상태로 유지됩니다.

 

가장 이상적인 구성

그러나 이것은 결국 물리학자들이 예상했던 놀라운 초전도성과는 거리가 멀었습니다. 1986년 IBM의 알렉스 뮐러와 게오르크 베드노르츠는 다른 원소들 사이에 구리와 산소층이 끼워진 물질 큐프레이트가 화씨 영하 211Fㅣ도(섭씨 영하 135도)의 온도에서도 초전도를 나타낼 수 있다는 것을 발견했습니다. 이것이 일어나는 정확한 이유는 아직 완전히 이해되지 않았지만, 지배적인 이론은 미국의 물리학자 필립 앤더슨이 제안했습니다. 앤더슨은 "전자가 초교환이라는 양자 역학적 과정을 통해 서로 위치를 전환하도록 선택할 것"이라고 봤습니다.

 

전자는 모든 입자 및 자연의 많은 사물과 마찬가지로 가능한 가장 낮은 에너지 상태를 차지하려고 하기 때문에 지속적으로 위치를 바꾸려고 합니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리는 한 번에 입자의 위치나 운동량만 명확하게 알 수 있으므로 전자는 자신의 위치를 가장 불확실하게 만들고 운동량을 가장 명확하게 정의하기 위해 움직입니다. 이러한 지속적인 전환은 전자의 에너지가 더욱 명확하게 정의되어 가능한 가장 낮은 에너지 상태로 내려갈 수 있음을 의미합니다. 이러한 전환이 일어나기 위한 가장 이상적인 구성은 균등하게 간격을 둔 쿠퍼 쌍의 바다입니다.

 

앤더슨이 옳았다

최근의 일부 실험에서는 적어도 그들이 연구한 물질에 있어서는 앤더슨의 말이 옳았음을 시사했습니다. 하지만 초교환은 이론적으로 많은 전자 접착제 중 한 가지 유형에 불과하며 마찬가지로 이러한 가상의 전자 접착제 중 일부가 얼마나 높은 온도에서 작동할 수 있는지, 어떤 제조 재료가 이러한 전자 접착제를 생성할 수 있는지도 확실하지 않습니다.

 

초전도체에는 공중부양이라는 숨길 수 없는 특성이 있는데, 흐르는 전류가 자기장을 생성하기 때문에 재료가 초전도 상태로 전환됩니다. 이에 따라 내부의 전자는 마찰 없이 흐르며 동일하고 반대되는 힘으로 외부 자석을 밀어낼 수 있는 자기장이 생성됩니다. 자석 위에 초전도체를 놓으면 그것이 완벽하게 공중에 떠 있게 되는데, 우리는 이 현상을 마이스너 효과라고 부릅니다.

 

상온 초전도체의 가능성

상온 초전도체는 알려진 물리학 이론을 위반하지 않지만, 이를 예측하는 이론 역시 없습니다. 이들을 만드는 어려움은 테스트할 재료의 다양한 조합에 걸쳐 원자 배열과 화학적 특성이 금지되어 있는 엔지니어링 퍼즐로 귀결됩니다. 과학자들이 실험한 재료 중에는 원자 1개 두께의 시트의 비틀림과 회전에 따라 저온 초전도성을 켜거나 끌 수 있는 그래핀이 있습니다. 또 다른 유망한 후보는 올해 연구원들이 보다 높은 온도에서 초전도를 나타낼 수 있다고 보고한 은빛 금속인 스칸듐 원소입니다.

 

그러나 한 가지 악명 높은 주장으로 인해 이 분야는 논란에 휩싸였습니다. 2020년 진행된 실험에서 연구원들은 두 개의 다이아몬드 아래에서 고압으로 분쇄된 탄소, 황, 수소의 혼합물이 초전도하는 것을 관찰했다고 주장했습니다. 얼마 전 수행된 후속 실험에서는 재료의 크기가 확대된 덩어리의 경우 초전도 온도가 실제로 최대 화씨 70도(섭씨 21도)에 이르렀다는 주장이 나왔습니다.

 

그러나 다른 과학자들의 조사에 따라 이 논문은 2020년 철회됐습니다. 이 실험을 주도한 팀은 데이터 조작과 표절 혐의로 기소됐습니다. 이 혼잡한 장면에는 화씨 86도에서 저항률이 거의 0으로 떨어지는 물질 LK-99가 등장했습니다. 이 소재는 납, 산소, 황, 인을 함유한 혼합 분말에 구리가 도핑돼 구성되며 제조 및 테스트가 비교적 쉽습니다.

 

지금까지 과학 기관에서는 11번의 결과 복제 시도가 제시됐으며 7번의 결과가 발표되었습니다. 이들 7개 중 3개는 LK-99에 대해 주장된 것과 유사한 특성을 발견했지만, 초전도성은 발견되지 않았습니다. 나머지 4개에서는 자성과 초전도성이 모두 관찰되지 못했습니다.