서울대 이건도 교수팀, 물리학계 40년 난제 해결...‘열적 디커플링’ 개념으로 고온초전도 메커니즘 규명
서울대 이건도 교수팀, 물리학계 40년 난제 해결...‘열적 디커플링’ 개념으로 고온초전도 메커니즘 규명- 재료물리 분야 국제학술지 ‘Materials Today Physics’ 논문 게재 - 양자소자·전력전송·양자 컴퓨팅·자기부상·에너지 저장 기술 발전 발판 마련 ▲ 참여 연구진, (왼쪽부터) 이건도 서울대학교 신소재공동연구소 연구교수(교신저자), 서울대학교 신소재공동연구소 이성우 박사(주저자), 권영균 경희대학교 물리학과 교수, 김미영 서울대학교 재료공학부 교수서울대학교 고온초전도 연구단(단장 이건도 신소재공동연구소 연구교수)이 40년 가까이 미제로 남아 있던 고온초전도 현상의 근본 원인을 ‘열적 디커플링(Thermal Decoupling)’이라는 새로운 개념으로 설명하는 데 성공했다고 밝혔다. 기존의 전자 중심 이론으로는 해석되지 않던 여러 실험 결과를 모두 정량적으로 설명하는 이번 연구는 초전도 연구의 새로운 패러다임을 제시했다는 평가를 받고 있다. 이번 연구 결과는 재료물리 분야의 국제학술지 ‘머티리얼즈 투데이 피직스(Materials Today Physics, IF=9.7)’에 ‘Thermal Decoupling in High-Tc Cuprate Superconductors’ 제하의 논문으로 지난 10월 27일 온라인 게재됐다.■ 연구 배경1911년 네덜란드의 물리학자 카멜링 오네스가 발견한 ‘초전도 현상’은 전류가 저항 없이 흐르는 상태다. 이후 1957년, ‘BCS(Bardeen·Cooper·Schrieffer) 이론’을 발표해 초전도 현상의 메커니즘을 밝힌 미국의 물리학자 바딘·쿠퍼·슈리퍼가 노벨물리학상을 수상했지만, 이 이론은 섭씨 약 영하 250도(절대온도 약 25K) 이하에서만 성립되는 한계가 있었다. 그러나 1986년 IBM취리히연구소의 베드노르츠와 뮐러가 영하 240도에서도 초전도체가 되는 구리산화물(cuprate)을 발견한 뒤, 상압·영하 140도에서도 초전도 현상이 발견된다. 따라서 전 세계의 물리학자들은 ‘왜 이렇게 높은 온도에서 초전도가 일어나는가?’라는 질문에 오래 매달려 왔다.■ 연구 성과지난 40년 동안 많은 접근법이 실패한 건, ‘전자’에만 초점을 맞췄기 때문이라고 파악한 서울대 이건도 교수팀은 층상 구조를 가진 고온 초전도체의 열적 특성에 주목한 연구로 이 난제의 해결에 도전했다. 그 결과, 대부분의 고온 초전도 물질은 이차원 물질이 적층된 구조이며, 각 층이 서로 다른 원소로 이루어져 층간 결합이 약한 상태라는 사실을 확인했다. 그리고 섭씨 영하 70도(절대 온도 약 200K) 이하일 때, 층 사이의 열 흐름이 끊어지는 ‘열 분리(thermal decoupling)’ 현상을 발견하는 성과를 거뒀다. 특히 초전도가 실제로 일어나는 구리와 산소로 이뤄진 층은 YBCO(Yttrium barium copper oxide, 이트륨 바륨 구리 산화물로 이루어진 고온 초전도 물질) 내부에 있고 낮은 유효온도를 유지하며 BCS 이론의 조건을 만족하지만, 실험에서 측정되는 값은 바륨과 산소로 이뤄진 표면층의 높은 온도를 반영하기 때문에 그간의 실험 결과가 기존 이론과 불일치했던 것으로 밝혀졌다. 이 유효온도 차이를 만든 핵심 요인은 바륨(Ba)과 같은 알칼리 토금속*으로, 이들이 층간 이온 결합을 조절하며 열 흐름을 차단하는 역할을 한다는 점도 규명됐다.* 알칼리 토금속 : 주기율표에서 2족에 속하는 금속들아울러 이론적 계산에 따르면 이 ‘온도 분리 효과’를 보정했을 때, 지금까지 수수께끼로 남아 있던 저항과 온도의 선형관계(linear-T resistivity)*, 우에무라 관계(Uemura relation)*, 초전도 돔(superconducting dome)*, 축소된 동위원소 효과(isotope effect)*가 모두 하나의 원리 하에 정량적으로 설명된다는 사실이 확인됐다. * 저항과 온도의 선형관계 : 보통의 금속의 경우 초전도 상태가 되기 전에 저항은 저온에서 온도의 제곱에 비례하는 페르미 액체이론을 따르지만, 거의 모든 고온초전도 물질은 저항이 온도에 선형 비례관계를 보임.* 우에무라 관계 : 고온 초전도물질의 임계 온도가 그 물질의 페르미 온도에 비례하는 현상 * 초전도 돔 : 고온 초전도 물질의 임계 온도가 도핑 농도가 늘어남에 따라 점점 커졌다가 점점 작아지는 돔 형태을 보이는 현상* 축소된 동위원소 효과 : BCS 이론에 의하면 저온 초전도 물질은 동위원소로 이루어진 경우 동위원소의 질량예 제곱근에 반비례해서 초전도 임계온도가 형성되는 동위원소 효과를 보이는데 고온 초전도의 경우 이 효과가 훨씬 감소하게 됨.■ 기대 효과학계의 오랜 난제였던 고온초전도 메커니즘 규명에 성공한 이번 연구는 반도체 중심의 기존 전자 산업을 뛰어넘는 혁신적 산업, 즉 양자소자, 전력전송, 양자 컴퓨팅, 자기부상, 에너지 저장 기술 등의 발전이 가속화되는 전환점이 될 것으로 전망된다. 연구진은 상온에 근접한 초전도체 개발의 핵심 아이디어를 확보해 관련 특허를 이미 출원했으며, 머신러닝 기반의 고온 초전도 신물질 탐색 연구에 곧 착수할 계획이다. ■ 연구진 의견이건도 교수는 “이번 연구 결과는 기존의 열평형 개념을 넘어서는 새로운 물리 패러다임으로, 과거 아인슈타인의 상대성 이론이나 플랑크의 양자론이 처음 등장했을 때처럼 큰 논쟁을 불러일으킬 수 있다”며 “곧 ‘열적 디커플링’을 직접 검증하는 실험 결과도 나올 것으로 기대한다”고 밝혔다. ■ 연구진 진로이번 논문의 주저자로서 핵심 계산을 수행한 서울대 신소재공동연구소의 이성우 박사는 마법각도 꼬임 이중층 그래핀, 카고메 초전도 물질 등 다른 고온 초전도물질에서도 ‘열적 디커플링’ 메커니즘을 규명하는 후속 연구를 수행할 계획이다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 ‘미래유망융합기술 파이오니어’ 난제도전과제 및 KISTI 슈퍼컴퓨팅 센터의 거대도전과제의 지원으로 수행됐다.▲ 그림 1. 구리산화물 초전도 물질 내에서의 열적 디커플링(Thermal decoupling)에 의해 고온초전도 현상이 나타나는 개략도▲ 그림 2. 열적 디커플링(thermal decoupling) 결과에 의하면 YBCO에서 바륨(Ba)의 유효온도가 높아 바륨과 바로 아래의 초전도층인 산화구리(CuO2) 평면층과의 거리(오른쪽 그림의 화살표)가 임계온도(Tc, 왼쪽 그림) 에 영향을 줄 것으로 예상된다. 놀랍게도 왼쪽 그림과 같이 각각 다른 세 실험 그룹의 연구결과에서의 도핑 농도에 따라 변하는 Ba-CuO2 거리(빨간, 노란, 파란 점)가 임계온도(검은 점)와 정확하게 일치한다. [참고자료]- 논문명/저널 : “Thermal decoupling in high-Tc cuprate superconductors”, Materials Today Physics- DOI : https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101916[문의]서울대학교 신소재공동연구소 이건도 연구교수 / 010-3207-1058 / gdlee@snu.ac.kr
2025.11.07
