김인기 박사 새 글 (초전도체 관련)

 제가 일일이 답변을 드릴 수 없어서 검색해서 찾은 자료를 링크 올립니다.

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고체물리학만 하신 분들은 하나의 상에만 집중하기 때문에 잘 모르는 얘기인데, 재료공학 하신 분들은 잘 아는 내용을 찾았기에 공부하시라고 링크 올립니다. 어디서는 고체열역학이라고도 하죠. 상변태가 상전이랑 많이 혼동되기 쉬운데, 재료공학에서는 각 상의 공간적인 분포 형태가 중요해져서 phase transformation 상변태를 주로 배우고, 물리학에서는 공간적 분포보다도 성질 자체의 변화에 집중을 하기에 phase transition 상전이를 주로 배웁니다.

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상변태는 초전도 상전이와 관련해서 LK-99에서 황화구리를 분리하는 단계에서 이용할 수도 있고, 아파타이트 안에 구리가 다르게 납을 치환한 상이 여러 개 존재했을 때에, 이들 상이 분리되는데도 필요한 내용입니다.

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좀 더 설명을 드리면, 도자기를 굽든 합금을 만들던 주로 사용되는 방법이 원료를 섞고 적절한 고온에서 적절한 시간을 놔두면 원료에 포함된 원자들이나 분자들이 움직여서 제자리를 찾아가고, 그게 온도를 낮추면 굳어서 우리가 보는 재료를 만든다는게 기본 원리입니다.

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그러면, 원자나 분자는 왜 움직이냐면 주로 주변 환경에 재빠르게 반응하는 전자구름이 평형을 찾아 이동하면 원자핵이 따라서 이동한다는 픽쳐를 채택하는데 이게 Born-Oppenheimer가 생각한 픽쳐입니다. 영화에 나온 그 오펜하이머 맞습니다. 영화에서 오펜하이머의 상상을 표현하기 위해 작은 불꽃들이 날려대는 장면이 그런 겁니다. 놀란 감독이 제대로 공부했습니다.

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이러한 과정을 설명하는게 kinetics 라고 하는데, 비평형열역학/비평형통계역학이 그 근본입니다. 참고로, 이 분야는 물리학자건 재료공학자건 화공학자건 화학자건 자세한 건 잘 모릅니다. 이 분야로 물리화학 박사학위를 받은 정치인이 있는데 메르켈 전 독일총리입니다. 제가 직접 연구해 본 가장 발달한 응용분야는 토카막이건 레이저핵융합이건 수소폭탄이건 핵융합을 통제하는 분야입니다.

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하여간 뜨끈한 환경에서 원자/분자는 평형을 찾아 이동하는데, 이동하는 경로가 매끄럽지 않기 때문에 온도가 충분하지 못하거나 시간이 충분하지 못하면 여기저기에 걸려서 해당 온도에서는 진짜 안정을 찾아가지 못하고 중간에 걸려서 움직이지 못하는 경우가 생깁니다. 그 상태로 식으면 거기에 원자가 박힌채로 불순물이 되어 불순물의 전자 상태에 따라 고려청자 색을 내기도 합니다.

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이런 상태가 결정구조 내에서 특정한 위치에 원자가 박혔을 때 우리에게 유용한 성질을 지닌 phase 상이 된다거나, 여러 상들이 이렇게 저렇게 배치된다면 이를 통제할 방법을 찾게 되는데, 이를 체계적으로 다룬 학문이 재료열역학, 고체열역학, 상변태 같은 이름으로 불리는 학문입니다. 그게 첨부된 자료에 있습니다.

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여기서 약간 학문간 알력이 생기는데, 문제의 근원은 각 학문이 죄다 열역학을 일단 깔고 시작하기 때문인데 서로 상대방이 배우는 학문은 겨우 기초열역학이나 하는 학문으로 보이기 때문에 깔보는 시각이 생깁니다. 그냥 다른 분야입니다.

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이제 LK-99 물질을 만들었는데, 뉴스를 따라가신 분들은 알겠지만 황화구리를 비롯해서 오만가지 불순물들이 분리되거나 섞여서 나옵니다. 여기서 순수한 아파타이트만 분리해내는 작업만도 골치아픕니다만, 불순물의 상은 아파타이트의 상과는 확연히 다르기 때문에 다음의 문제보다 쉬운편입니다.

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진정한 문제는 같은 아파타이트라도 구리가 밖힌 위치에 따라서, 강자성체상, 부도체상, (그게 있다면) 상온에서 초전도상이 되는 금속상 등이 존재할 것입니다. 이들을 원하는대로 합성하거나 분리해 내려면 이들 상들의 열역학 상태도가 필요한데, 이 상태도를 만드는 작업은 정말 지루하고 명성도 옷얻는 작업입니다. 그래도 학자들이 계산 열역학 상태도라는 의미의 calphad 프로젝트로 꾸준히 만들고 있습니다.

문제는 상태도를 만드는데 꼭 필요한 상이 존재하지 않는 경우도 있습니다. 그래서 calphad 계산에 필요한 열역학 데이터를 DFT 계산으로 생성해내서 상태도를 그릴 수 있는지 연구해왔고, 제가 보니 쓸만한 상태까지 왔습니다.

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이제 LK-99가 되기 위해 필요한 세 가지 상이 존재하는지 보려면 3원계 상태도를 그려봐야 하는데, Northwestern 대학의 Wolverton 그룹이 그린 상태도에 다 있으며, 이들의 상태가 매우 가까이 붙어있어 분리해내기 까다롭다는 걸 알 수 있습니다. 퀀텀에너지 뿐만 아니라 카우보이들과 일부 연구실에서는 일단 아파타이트를 분리해 내는데 성공했습니다.

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제가 현역에 있을 때 술자리에서 3원계 상태도만 있으면 만들지 못할 물질없고, 분리해내지 못할 물질없다고 장담하는 분들을 많이 봤습니다. 술김에 하신 소리긴 하지만, 그 분들은 3원계 상태도를 그렸으니 만들어보시기 바랍니다.

초전도체 비밀 풀 열쇠?…日연구진, 수수께끼 `악마입자` 찾았다

       교토대 연구팀, 1956년 파인즈가 예언한 입자 관측 성공

미 일리노이대 연구팀과 함께 이론 규명하고 재현도 완료

고체 속에서 뭉친 전자, 질량·전하 없어지고 빛에도 반응 안해

어떤 온도에서도 가능…초전도 현상의 '온도 한계' 깰까

피터 아바몬테 미국 일리노이대 어바나 샴페인 캠퍼스 물리학과 교수가 '파인즈의 악마' 연구 결과를 설명하고 있다. 온라인 영상캡처

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"67년 된 수수께끼가 풀렸다. 노벨상급 연구성과다."

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한국 연구팀이 개발한 LK-99에 대해 과학계가 "상온상압 초전도체는 환상이었다"며 부정적 결론에 다가가고 있는 가운데 일본 과학계가 초전도 현상과 연관된 대형 연구성과로 떠들썩하다. 초전도 현상을 비롯한 전자기력의 모든 열쇠를 쥐고 있는 '전자'가 뭉쳐서 만들어지는 이상한 덩어리 입자를 처음으로 관측했다.

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마에노 에츠키 일본 교토대 고등연구원 교수 팀은 피터 아바몬테 미국 일리노이대 어바나 샴페인 캠퍼스 교수 팀과 협력해, 67년 전 예언된 전자의 기이한 행동, 일명 '악마입자'를 관측하고 재현하는 데 성공했다. 연구결과를 담은 논문은 국제학술지 '네이처' 9일자에 실렸다.

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이에 대해 뉴스위크 일본판은 18일 "최근 몇주 동안 한국 연구진이 개발한 LK-99가 이슈가 된 가운데 일본은 초전도체 연구 과정에서 노벨상급의 자체 연구결과를 발표했다"고 전했다.

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30년 매달린 초전도체에 숨은 뜻밖의 비밀

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이번 연구를 주도한 마에노 교수는 약 30년 전 스트론튬-루테늄 산화물(Sr2RuO4)에서 초전도 현상을 발견했다. 이후 30년간 이를 재현하고 이론적으로 정립하는 연구를 해 왔다. 스트론튬-루테늄 산화물은 하나의 루테늄과 스트론튬, 산소 원자로 구성된 입체결정 구조 물질이다.

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지금까지 수많은 초전도 이론이 발표됐다가 결국 아닌 것으로 판명 난 것은 데이터 오류나 조작도 있지만 재현에 실패한 경우가 많다. 새로운 연구성과가 발표되면 과학계가 의심부터 하는 이유다.

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마에노 교수는 첨단 전자현미경의 M-EELS(운동량 분해 전자 에너지 손실 분광법)이라는 특수한 실험 기법을 이용해 스트론튬-루테늄 산화물에서 일어나는 전자의 거동을 들여다봤다. 이 장치를 이용하면 금속에 전자를 쏘아 반사되는 전자의 운동량과 에너지를 측정할 수 있다. 이를 통해 금속 안에 형성되는 플라즈몬 등 전자의 거동을 직접 관찰할 수 있다. 플라즈몬은 금속 안에서 전자가 집단적으로 행동하며 일으키는 진동 현상을 말한다. 그 결과 '파인즈의 악마'를 세계 최초로 관측하는 뜻밖의 발견을 했다.

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뭉친 전자, 질량도 전하도 없는 투명 입자처럼 행동해

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세상을 이루는 모든 것은 원자로 이뤄졌는데 원자는 전기적으로 양인 양성자, 중성인 중성자, 전기적으로 음인 전자로 구성된다. 양성자와 중성자의 질량은 전자의 약 1840배다. 전자는 양성자나 중성자에서 거리를 두고 떨어져 있는데 전자의 개수에 따라 물질의 성질이 달라진다. 금속에서는 많은 원자가 전자를 공유함으로써 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 된다. 그 결과 전기가 흐를 수 있다.

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그런데 전자는 고체를 통과할 때 서로 상호작용을 하면서 평소와 다른 특성의 전혀 다른 입자처럼 활동한다. 이처럼 특정한 상황에서 입자가 상호작용하면서 무리를 이뤄 하나의 입자처럼 움직이는 것을 준입자라고 한다.

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플라즈몬은 준입자의 한 형태로, 플라즈마 진동으로 인해 발생한다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질상태로, 물질이 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태다. 플라즈마 진동은 플라즈마 안에 있는 하전 입자의 집단적인 진동이나 파동을 말한다. 준입자 상태로 뭉쳐진 전자는 원래의 특성에서 벗어난 힘과 전기적 특성을 가진다. 이론물리학자들은 플라즈몬이 초전도 현상을 촉진하는 역할을 할 수 있다고 예측한다. 전자의 움직임에 영향을 미칠 수 있다는 것.

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파인즈, 전자가 고체에서 이상하게 행동하는 '악마입자' 예언

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1956년 이론물리학자 데이비드 파인즈 박사는 고체에서 전자가 이상하게 행동할 가능성을 예언했다.

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금속을 비롯한 고체에서 둘 이상의 에너지 밴드에 전자가 있는 경우 각각의 플라즈몬이 위상 불일치 패턴으로 결합해 질량이 없고 전기적으로 중성인 새로운 플라즈몬을 형성할 수 있다는 이론을 세웠다. 또 이 입자는 질량이 없기 때문에 어떤 에너지로도 형성될 수 있고 모든 온도에서 존재할 수 있다고 예측했다.

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전자가 결합해 질량과 전기적 특성이 모두 사라지고 빛과 상호작용하지 않는 플라즈몬이 만들어질 수 있다는 것. 이에 대해 '특이한 전자운동(DEM)'과 입자를 나타내는 접미사 'on'을 따서 'DEM-on(악마)'이라고 명명했다. 악마입자는 아직 베일에 싸여있는 초전도 현상을 규명하고 합금 생성 조건을 설명하는 데 도움이 될 것으로 기대를 모았지만 전하도 질량도 없고 빛에도 반응하지 않는 게 문제다. '파인즈의 악마(Pines' demon)'로 알려진 이 입자는 이론만 제시됐을 뿐 아무도 관측하지 못했다.

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초전도체 분석 과정에서 발견하고 재현실험도 성공

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마에노 교수팀은 스트론튬-루테늄 산화물을 측정하는 과정에서 그동안 알려진 플라즈몬과는 다른 현상을 관찰했다. 질량이나 전하가 없으면서 빛과도 상호작용하지 않는 무언가가 있었다. 연구팀은 여러 가능성을 검증하고 배제해 가면서 점점 악마입자일 수 있다는 의심을 했다.

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특이한 전자의 거동을 관찰한 연구팀은 미 일리노이대의 이론 물리학자 그룹을 연구에 참여시켰다. 관측 데이터와 이론팀이 스트론튬-루테늄 산화물의 전자구조 특성을 바탕으로 한 계산을 비교한 결과, '파인즈의 악마'가 맞다는 결론을 내렸다.

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논문의 공동 저자인 에드윈 황 박사는 "계산 결과 파인즈가 묘사한 것과 거의 같은 크기로 위상이 다르게 진동하는 두 개의 전자 밴드로 구성된 입자를 발견했다"고 밝혔다.

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과학의 새로운 발견에는 '재현성'이 필수인 만큼 연구팀은 반복적인 실험을 통해 반복적으로 악마입자를 검출하는 데 성공했다.

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악마입자, 상온서도 나타나…초전도체 한계 깰까

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앞으로 스트론튬-루테늄 산화물을 이용해 이 입자의 특성을 더 자세히 연구할 계획이다. 악마입자의 발견은 지금까지 과학계가 이해하지 못한 다양한 현상 해석으로 이어질 것으로 기대된다. 특히 금속의 전자적 특성과 관련된 다양한 퍼즐을 푸는 데 도움을 줄 전망이다.

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실험에 따르면 악마입자의 출현과 함께 전자의 보유 에너지에 변동이 일어나는 것으로 확인됐다. 이는 악마입자가 초전도를 일으키는 데 중요한 역할을 할 가능성을 시사한다. 악마입자와 초전도의 연관성을 밝히면 LK-99가 이루고자 한 상온 초전도체를 재현성 있게 만들어낼 가능성도 있다.

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저자들은 논문에서 "이번 연구결과는 전자가 이동 가능한 에너지 밴드가 여러 개인 금속에서 악마입자가 폭넓게 나타나는 특성일 수 있음을 시사한다"고 밝혔다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr

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이미지:미국 일리노이대 어바나 샴페인 캠퍼스