실제 적용 분야에 한 걸음 더 다가섰지만, 목표치까지는 아직 140°C가 부족하다.
휴스턴 대학교 연구진은 인공 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 압력 퀜칭(pressure quenching) 기술을 적용하여 상압 상태에서 전이 온도 151 K(−122°C)의 초전도성을 달성했습니다. 이는 상압 초전도성의 기록적인 고온이며, 이에 따라 Ching-Wu Chu와 Liangzi Deng 연구진은 이번 성과가 실용적인 초전도 시스템을 향한 주목할 만한 발전이라고 평가했습니다. 하지만 여전히 상온 초전도성을 달성하기까지는 140°C의 격차가 남아있습니다.
초전도체는 물질의 전기 저항이 0이며 자기장을 밀어내는 특성을 가진 상태입니다. 이 상태는 매우 낮은 온도 및/또는 높은 압력에서 구현될 수 있지만, 산업계의 핵심 과제는 상온 및 상압 조건에서 초전도성을 확보하는 것입니다. 가장 큰 난관은 저항이 사라지는 임계 온도($T_c$)를 달성하는 데 필요한 조건이 일반적인 환경에서는 매우 불안정하다는 점입니다. 초전도 현상은 온도가 상승함에 따라 분리되는 취약한 전자쌍에 의존합니다. 고압을 가하면 물질을 압축하고 전자 구조를 변화시켜 이러한 전자 간의 상호작용을 강화함으로써 $T_c$를 높일 수 있습니다. 하지만 이러한 개선된 초전도 상태는 일반적으로 극단적인 고압 환경에서만 존재하며, 압력이 제거되면 물질은 정상 상태로 돌아가 초전도성을 잃게 됩니다. 따라서 과학자들이 목표하는 핵심은, 실용적인 활용에 필수적인 상압 조건에서 강력한 전자 쌍 결합과 높은 $T_c$를 유지하는 물질을 개발하는 것입니다. 이것이 바로 휴스턴 대학교 연구진이 집중적으로 연구하고 있는 분야입니다.
해당 팀은 높은 전이 온도로 알려진 수은 기반 구리산화물 초전도체인 Hg1223을 사용했습니다. 역사적으로 Hg1223은 상압 조건에서 133 K(−140°C)에서 초전도성을 달성한 기록을 보유하고 있었으며, 이는 1993년 이래의 기록이었습니다. 이번 새로운 연구는 이 기록을 18 K 높여 151 K(−122°C)에 도달시키는 데 성공했습니다.
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이번 발전의 핵심 원리는 '압력 퀜칭(pressure quenching)'이라는 기술입니다. 이 기술은 먼저 물질을 고압에 노출시켜 전자적 특성을 향상시키고 $T_c$를 증가시킵니다. 이후 압력이 가해진 상태에서 샘플을 목표 온도까지 냉각한 다음, 압력을 급격히 제거합니다. 이 과정이 물질이 압력으로 유도된 상태를 효과적으로 보존하게 만들어, 결과적으로 상압에서도 개선된 초전도 거동을 유지할 수 있게 합니다. 압력 지원 초전도 현상은 잘 알려져 있지만, 감압 후에도 이러한 특성을 유지하는 것은 큰 도전 과제였기 때문에, 이번 시연은 학술적으로 매우 중요한 의미를 가집니다.
이 연구의 추가적인 이점은 상압에서 운용 가능하다는 점입니다. 정상 조건에서 안정적인 물질들은 널리 사용 가능한 실험실 장비를 이용해 연구할 수 있기 때문에, 이는 기초 재료 연구와 응용 R&D 모두에 긍정적인 촉진제가 됩니다.
초전도체는 신흥 핵융합 에너지 플랫폼, 고성능 전자 장치, 자기공명영상(MRI) 시스템 등 다양한 전자, 에너지, 의료, 산업 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 이러한 장치들은 저저항 작동의 이점을 누릴 수 있지만, 액체 질소와 같은 극한의 냉각 방식은 적용할 수 없습니다.
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