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[표지로 읽는 과학] 고온 초전도 현상 비밀 쥔 '자성 폴라론' 최초 발견

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[표지로 읽는 과학] 고온 초전도 현상 비밀 쥔 '자성 폴라론' 최초 발견

2019.08.17 11:08
네이처 제공
네이처 제공

허공에 둥둥 떠 있는 쇠구슬 주변으로 철가루들이 삐죽빼죽한 띠를 그리며 몰려 있다. 국제학술지 '네이처'는 고온 초전도 현상의 비밀을 쥐고 있는 열쇠인 '자성 폴라론'을 14일 표지로 실었다. 

 

독일 막스플랑크연구소와 뮌헨대, 미국 하버드대, 영국 케임브리지대 연구팀은 양자기체현미경으로 자성 폴라론의 내부 구조를 이미징한 결과를 네이처에 실었다. 지금까지 학계에서는 자성 폴라론이 존재할 것으로 이론상 추측해왔으며, 실험을 통해 직접적으로 확인한 것은 이번 연구가 처음이다. 

 

폴라론은 양자역학적인 입자다. 양전하를 띠는 원자들이 빼곡히 모여 있는 고체 안에 전자가 들어간다고 가정했을 때, 폴라론은 전자가 고체 내부에서 움직이면서 주변과 상호작용해 남기는 자취를 말한다. 방석에 쇠구슬을 얹고 이리저리 굴릴 때 방석에 흔적이 남는 것에 비유할 수 있다. 전문가들은 '전자가 주변을 왜곡시키는 상태에서 격자 찌그러짐이 나타난다'고 표현한다. 

 

그중 자성 폴라론은 모트 절연체에 전자가 들어갔을 때 발생하는 것이다. 모트 절연체는 전자의 스핀이 '업'과 '다운'을 무한 반복하고 있는 양자상태다. 여기에 외부 전자가 들어가면 스핀의 정렬 상태가 흐트러지면서 자성 폴라론이 된다. 연구팀은 이번 연구결과를 토대로 고온 초전도 현상을 밝히는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 보고 있다. 

 

초전도는 물질을 절대온도 0도(0K, -273.15도) 가까이 극저온 상태로 냉각시켰을 때 전기저항이 0이 되는 현상이다. 대개 3~5K(-270.15~-268.15도)에서 나타난다. 이미 1950년대 미국 일리노이대 과학자들이 초전도체 내 전자들이 서로 끌어당기면서 쿠퍼쌍을 이루기 때문에 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 본인들의 이름 앞글자를 딴 이 BCS 이론으로 그들은 1972년 노벨물리학상을 수상했다.

 

고온 초전도 현상은 이보다 훨씬 높은 온도인 100K(-173.15도)에서 발생한다. 두 현상이 발생하는 온도가 극명히 다를 뿐 아니라, 고온 초전도 현상은 BCS 이론으로도 설명이 되지 않는다. 이 때문에 물리학계에서 가장 해결하기 어려운 난제로 알려져 있다. 그런데 지금까지 고온 초전도 현상이 나타났던 경우는 모트 절연체에 전자를 도핑했을 때였다. 그래서 학자들은 폴라론의 정체를 알아내면 고온 초전도 현상의 원리도 밝혀낼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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