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[강석기의 과학카페]상온 초전도체 시대 열릴까

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[강석기의 과학카페]상온 초전도체 시대 열릴까

2021.09.01 14:00
두 다이아몬드의 뾰족한 끝 사이 공간에 황화수소(H₂S)와 수소(H₂), 메탄(CH₄)를 넣고 두 다이아몬드를 눌러 260만 기압이 되면 탄소질황수소화물(CSH)이 만들어진다. 이 물질은 임계온도가 15℃에 이르는 상온 초전도체이지만 정확한 구조는 밝혀지지 않았다. J. Adam Fenster/로체스터대 제공
두 다이아몬드의 뾰족한 끝 사이 공간에 황화수소(H₂S)와 수소(H₂), 메탄(CH₄)를 넣고 두 다이아몬드를 눌러 260만 기압이 되면 탄소질황수소화물(CSH)이 만들어진다. 이 물질은 임계온도가 15℃에 이르는 상온 초전도체이지만 정확한 구조는 밝혀지지 않았다. 애덤 펜스터/미국 로체스터대 제공

지난해 10월 국제학술지 ‘네이처’에는 놀라운 연구 결과가 실렸다. 상온의 범위인 15℃에서 초전도성을 보이는 물질을 만드는 데 성공했다는 내용이다. 1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스가 금속 수은이 절대온도 4.2K(K=℃+273.15), 즉 –269℃에서 전기저항이 0인 초전도체가 되는 현상을 발견한 이래 100년 넘는 세월 동안 수많은 물리학자들이 꿈꾸거나 불가능하다고 생각했던 상온 초전도체가 드디어 구현된 것이다. 

 

그런데 실상을 들여다보면 고개를 갸웃하게 된다. 상온에서 초전도체가 되는데 필요한 압력이 무려 267GPa(기가파스칼. 기가는 10억을 뜻함)로 우리가 익숙한 압력 단위로 바꾸면 260만 기압이나 되기 때문이다. 문장의 구두점보다 작은 공간에 황화수소(H₂S)와 수소(H₂), 메탄(CH₄)를 넣고 위아래에서 다이아몬드로 눌러 압력이 260만 기압까지 올리고 레이저를 쪼이면 기체 분자들이 해체되고 원자들이 재배치돼 상온 초전도체인 고체가 만들어진다.

 

그런데 탄소질황수소화물(CSH)라고 부르는 이 고체의 정확한 구조를 모를 뿐 아니라 실험 중에 다이아몬드가 압력을 견디지 못해 깨지면서 이 고체도 연기처럼 흩어져버린다는 게 문제다. 두 다이아몬드가 압력을 버티고 있는 사이 초전도체가 만들어졌다는 걸 전기저항 측정을 통해 간접적으로 확인한 것이다. 물론 이 자체만으로도 대단한 발견이지만, 이를 두고 상온 초전도체 시대로 가는 문이 열렸다고 말하기에는 무리가 있다. 그래서인지 국제학술지 ‘사이언스’는 상온 초전도체 발견을 매년 연말에 발표하는 ‘올해의 연구성과’로 뽑지는 못하고 ‘10대 연구성과’의 하나로 올리는 데 그쳤다.

 

 

압력을 10분의 1로 낮췄다?

 

국제학술지 사이언스는 지난달 27일 상온 초전도체 논문이 나가고 열 달이 지난 최근의 상황을 알려준 기사를 소개했다. 뜻밖에도 관련 분야 전문가 사이에서도 논문에 대한 평가가 여전히 엇갈리고 있고 아직 다른 실험실에서 이 결과를 재현하는 데 성공하지 못했다고 한다. 보통은 이렇게 되면 데이터의 진위를 의심하기 마련이지만, 워낙 노하우가 필요한 실험이라 그 정도까지 가지는 않은 것 같다.

 

정작 연구를 이끈 미국 로체스터대의 물리학자 랑가 디아스 교수는 후속 연구로 CSH의 구조를 대략 파악했다면서도 특허 문제가 있어 밝힐 수는 없다고 말하고 있다. 참고로 디아스 교수는 최근 상온 초전도체 제조 및 상용화를 목표로 언어슬리 머트리얼즈(Unearthly Materials)라는 스타트업을 설립했다. 

 

디아스 교수는 작년 실험에서 필요했던 압력의 10분의 1 수준인 20GPa에서도 상온 초전도성을 보이는 물체를 만든 것 같다는 언급도 했다. 역시 특허 문제로 구체적인 얘기는 할 수 없다고 덧붙였다. 설사 20GPa(~20만 기압)에서 성공했다고 하더라도 여전히 초고압이라 일상에서 이런 조건을 유지하기는 불가능하다. 그런데 왜 상온에서 초전도체가 되려면 이런 엄청난 압력이 필요한 걸까.

 

 2015년 155GPa의 압력에서 만들어진 황수소화물(H3S) 결정이 초전도 임계온도가 203K를 기록하면서 시작된 수소화물 초전도체 경쟁은 지난해 CSH가 267GPa에서 288K를 찍으며 최초로 상온 초전도체의 자리에 올랐지만 아직 정확한 구조는 모른다. 아래 왼쪽은 황수소화물의 결정격자 구조이고 아래 오른쪽은 260K를 기록한 란타넘수소화물의 구조다. 사이언스 제공
2015년 155GPa의 압력에서 만들어진 황수소화물(H₃S) 결정이 초전도 임계온도가 203K를 기록하면서 시작된 수소화물 초전도체 경쟁은 지난해 CSH가 267GPa에서 288K를 찍으며 최초로 상온 초전도체의 자리에 올랐지만 아직 정확한 구조는 모른다. 아래 왼쪽은 황수소화물의 결정격자 구조이고 아래 오른쪽은 260K를 기록한 란타넘수소화물의 구조다. 사이언스 제공

 

임계온도 두 차례 양자 도약

 

1911년 금속 수은이 온도가 4.2K로 내려가는 순간 전기저항이 사라지는 초전도체가 되는 현상(이런 변화가 일어나는 지점을 초전도 임계온도라고 부른다)을 발견한 뒤 내로라하는 물리학자들이 이를 설명하는 이론 연구에 뛰어들었지만 다들 쓴맛을 보고 떠났다. 거의 반세기가 지난 1957년 미국 일리노이대 존 바딘 교수와 박사후연구원 리언 쿠퍼, 대학원생 존 슈리퍼가 마침내 성공해(세 사람의 성 앞글자를 따 ‘BCS 이론’이라고 부른다) 1972년 노벨물리학상을 받았다.

 

이에 따르면 어떤 물체가 특정 온도보다 낮은 온도에 놓이면 평소에는 서로 밀치는 전자들이 둘씩 짝을 이뤄 결맞음 상태라는 집단행동을 함으로써 저항 없이 이동할 수 있다. 이들이 만든, 어떤 물질의 초전도 임계온도를 예측하는 식에 따르면 당시까지 알려진 모든 물질의 임계온도 상한선은 25K로 나온다. 실제 1980년대 중반까지 기록은 23K였다.

 

그러다 1986년 큐프레이트(cuprate)라고 불리는 구리 함유 화합물(La-Ba-Cu-O)에서 초전도 임계온도 35K를 구현하는 데 성공하면서 고온 초전도체 시대가 열렸다. 참고로 여기서 고온은 상대적인 개념으로, 상온보다 훨씬 낮은 온도 범위다. 금속보다 전기전도도가 한참 떨어지는 세라믹이 오히려 초전도 임계온도가 더 높다는 건 충격적인 발견이었다. 초전도 임계온도의 양자 도약을 이룬 스위스 취리히 IBM 연구소의 게오르크 베드노르츠와 알렉산더 뮐러는 이듬해 노벨물리학상을 받았다. 세라믹 고온 초전도 현상을 명쾌히 설명하는 물리 이론은 아직 없다.

 

미국 휴스턴대 물리학과 칭우 추 교수는 BSC 이론에서 임계온도를 결정하는 변수 가운데 하나인 포논 진동수에 주목했다. 포논은 결정격자를 이루는 원자의 진동을 입자화한 양자역학 개념으로 빛을 입자화한 광자와 같은 맥락이다. 압력을 올려 결정 구조를 바꾸면 포논 진동수가 커질 수 있다고 생각한 추 교수는 La-Ba-Cu-O에 1GPa(~1만 기압)의 압력을 가했고 정말 임계온도가 52K로 올라간다는 사실을 발견해 1987년 발표했다. 

 

그 뒤 여러 조성의 큐프레이트가 만들어져 임계온도 기록 경신이 이어졌고 1993년 화학식이 HgBa₂Ca₂Cu₃O10인 물질은 133K에 이르렀다. 이듬해 추 교수팀은 45GPa에서 이 물질의 임계온도가 164K(-109℃)까지 올라감을 확인했다. 그러나 큐프레이트 기반 초전도체의 임계온도 상승 행진은 여기까지였다.

 

그리고 20여 년이 지난 2015년 임계온도가 203K(-70℃)인 초전도체를 만들었다는 논문이 ‘네이처’에 실렸다. 수소화물이라는, 수소를 포함한 물질에서 구현한 성취로 초전도 임계온도의 두 번째 양자 도약이라고 평가할 수 있다. 사실 수소가 고온에서 초전도성을 가질 것이라는 예측은 1968년 일찌감치 나왔다.     

 

 

수소화물 초전도체의 등장
1기압에서는 초전도 임계온도가 9.3K에 불과한 철셀레늄 결정은 그보다 높은 영역에서는 초전도체가 아니다(왼쪽. 가로축은 온도, 세로축은 전기저항). 이때 약 45만 기압의 압력을 가하면 결정 구조가 바뀌며 임계온도가 37K로 올라가 그 아래에서는 전기저항이 사라진다는 초전도성을 보인다(가운데). 4.2K에서 급히 압력을 빼면 바뀐 구조가 준안정 상태로 유지돼 1기압에서도 임계온도가 여전히 37K다(오른쪽). PNAS 제공
1기압에서는 초전도 임계온도가 9.3K에 불과한 철셀레늄 결정은 그보다 높은 영역에서는 초전도체가 아니다(왼쪽. 가로축은 온도, 세로축은 전기저항). 이때 약 45만 기압의 압력을 가하면 결정 구조가 바뀌며 임계온도가 37K로 올라가 그 아래에서는 전기저항이 사라진다는 초전도성을 보인다(가운데). 4.2K에서 급히 압력을 빼면 바뀐 구조가 준안정 상태로 유지돼 1기압에서도 임계온도가 여전히 37K다(오른쪽). PNAS 제공

앞서 BSC 이론에서 임계온도의 변수인 포논 진동수를 높이는 방법 중 하나는 가벼운 원소로 물질을 만드는 것이다. 1968년 미국 코넬대의 물리학자 네일 아시크로프트는 압력을 엄청나게 높이면 수소(H2) 기체가 해체돼 수소원자들이 모여 금속성을 띤 고체로 바뀌며 초전도 임계온도가 200K 내외가 될 것이라고 예측했다. 그러나 이렇게 하려면 지금도 불가능한 무려 1500GPa이라는 압력을 구현해야 해서 주목받지는 못했다.

 

그런데 2000년대 들어 다이아몬드 모루로 초고압을 만드는 기술이 개발되면서 수소화물 초전도체 연구가 본격화됐다. 수소만 쓰는 대신 수소와 다른 원소를 같이 쓰면 좀 더 낮은 압력에서도 안정적인 고체(결정)를 만들 수 있기 때문이다. 2015년 독일 막스플랑크 화학연구소의 물리학자 미카일 에리메츠와 동료들은 황화수소(H₂S)와 수소(H₂) 혼합 기체에 155GPa의 압력을 가하면 원소로 해체된 뒤 황수소화물(H₃S) 결정이 만들어지면서 초전도 임계온도가 203K에 이른다는 사실을 발견했다.

 

그 뒤 다양한 수소화물이 만들어졌고 2018년 란타넘수소화물(LaH10)로 260K(-13℃)까지 임계온도를 끌어올렸다. 그러다 작년 로체스터대의 디아스 교수팀이 황화수소(H₂S)와 수소(H₂)에 메탄을 더해 267GPa에서 만들어진 물질 CSH(정확한 구조는 모르지만)가 임계온도 288K(15℃)를 기록해 최초로 상온 초전도 현상을 구현했다고 발표한 것이다. 

 

그러나 수소는 결정을 유지하기에는 너무 가벼운 원자라 낮은 압력에서도 상온 초전도체인 수소화물을 만들 수 있을 것인가에 대해서는 디아스 교수를 비롯한 몇몇을 빼고는 확신하지 못하고 있다. 그런데 지난 7월 학술지 ‘미국립과학원회보’에는 약간의 트릭을 써서 상압(1기압)에서 원래 임계온도보다 훨씬 높은 임계온도를 구현할 수 있다는 논문이 실렸다. 이 방법을 적용하면 상온상압 초전도체를 구현하는 데 큰 도움이 될 수도 있다.

 

 

준안정 상태 유지가 관건
예일대 보조빅 교수는 준안정 상태 초전도체 실험을 서로 다른 깊이의 골이 두 개인 통(단면을 도식화했다)에 들어있는 공에 비유해 설명했다. 깊은 골(A)이 안정 상태이고 얕은 골(B)이 준안정 상태다. 통을 기울여 B가 A보다 낮게 하면 둘 사이의 마루 기울기가 완만해지며 공이 B, 즉 새로운 안정 상태로 넘어간다. 그 뒤 통을 다시 세우면 A가 다시 안정 상태가 되지만 공은 가파른 마루를 넘어가지 못하고 준안정 상태에 머문다. 여기서 A와 B가 서로 다른 결정 구조이고 마루 기울기를 완만하게 하는 게 압력을 높이는 조작이다. PNAS 제공
예일대 보조빅 교수는 준안정 상태 초전도체 실험을 서로 다른 깊이의 골이 두 개인 통(단면을 도식화했다)에 들어있는 공에 비유해 설명했다. 깊은 골(A)이 안정 상태이고 얕은 골(B)이 준안정 상태다. 통을 기울여 B가 A보다 낮게 하면 둘 사이의 마루 기울기가 완만해지며 공이 안정 상태인 B의 위치로 넘어간다. 그 뒤 통을 다시 세우면 A가 다시 안정 상태가 되지만 공은 가파른 마루를 넘어가지 못하고 준안정 상태에 머문다. 여기서 A와 B가 서로 다른 결정 구조이고 마루 기울기를 완만하게 하는 게 압력을 높이는 조작이다. PNAS 제공

 

논문의 교신저자는 1987년 1GPa의 압력을 가해 큐프레이트 La-Ba-Cu-O의 초전도 임계온도를 35K에서 52K로 끌어올린 휴스턴대 추 교수로 34년 만에 또 비슷한 일을 해냈다. 상압에서 임계온도가 9.3K에 불과한 철셀레늄(FeSe) 결정에 45GPa의 압력을 가하면 결정 구조가 바뀌면서 임계온도가 37K로 올라간다. 그런데 4.2K의 초저온에서 압력을 신속히 빼자 초고압 상태의 결정 구조가 유지되면서 올라간 임계온도도 떨어지지 않았던 것이다. 

 

미국 예일대 화학과 이반 보조빅 교수는 지난달 같은 학술지에 실린 해설에서 이 연구가 상온 초전도체 실용화로 가는 ‘불안정한 경로’를 열었다며 높이 평가했다. 여기서 불안정하다는 건 초고압에서 만들어진 결정 구조가 상압에서는 준안정(metastable) 상태이기 때문이다. 그럼에도 가장 안정한 상태로 돌아가기에는 에너지가 부족해서 이 상태에 머물 수 있다. 실제 실험에서도 1주일 이상 준안정 구조가 유지됐다.

 

사실 준안정 상태는 우리 주위에서 쉽게 볼 수 있다. 식탁에 놓여있는 술병은 준안정 상태이지만 식탁을 흔들지 않는 한, 에너지로 교란하지 않는 한 쓰러지지 않고 그대로 있다. 참고로 술병은 쓰러져 있는 게 안정 상태다.

 

보조빅 교수는 이번 실험을 서로 다른 깊이의 골이 두 개인 통에 들어있는 공에 비유했다. 깊은 골(A)이 안정 상태이고 얕은 골(B)이 준안정 상태다. 공은 A에 머물며 왔다갔다한다. 통을 기울여 B가 A보다 낮게 하면 둘 사이의 마루 기울기가 완만해지며 공이 새로운 안정 상태인 B로 넘어간다. 공이 왔다갔다하는 움직임이 작을 때 그 뒤 통을 빠르게 다시 세우면 A가 다시 안정 상태가 되지만 공은 가파른 마루를 넘어가지 못하고 준안정 상태에 머문다. 

 

여기서 A와 B가 서로 다른 결정 구조이고 마루 기울기를 완만하게 하는 게 압력을 높이는 조작이다. 그리고 공이 왔다갔다하는 정도가 온도다. 상압에서 철셀레늄은 A가 안정한 구조이고 초고압에서는 B가 안정한 구조다. 공의 움직임이 작은 4.2K의 초저온에서 압력을 순간적으로 빼 상압으로 만들면 B가 준안정한 구조임에도 이 상태를 유지한다는 말이다. 반면 공의 움직임이 다소 큰 77K에서 감압을 하면 준안정 상태를 유지하지 못하고 안정한 구조로 돌아가 임계온도가 다시 내려간다. 

 

만일 초고압에서 상온 초전도체를 만든 뒤 상압에서도 그 구조가 준안정 상태로 유지될 수 있다면 상온 초전도체 실용화로 가는 길이 훨씬 수월해질 것이다. 보조빅 교수는 “물질을 준안정 상태로 만드는 방법은 다양하다”며 “임계온도가 높은 준안정 초전도체를 만드는 붐이 일어날 것”이라고 전망했다. 

 

이미 상온 초전도를 구현했지만 압력이 낮아질수록 불안정해지는 수소화물과 상압으로 낮추는 길은 찾았지만 아직 고온 초전도체에 불과한 준안정 물질 가운데 어느 쪽이 먼저 상온상압 초전도체에 이를 수 있을지 또는 제3의 주자가 나타나서 승리할지 아니면 모두 실패할지 자못 궁금하다.  

 

※필자소개

강석기 LG생활건강연구소에서 연구원으로 일했다. 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 활동했다. 2012년 9월부터는 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페(1~9권)》,《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

 

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