국내 연구진이 카드뮴(Cd)으로 고온초전도체를 제어할 수 있다는 사실을 밝혔다. 초전도체는 꿈의 전선이라 불리는 초전도 케이블에서부터 자기공명장치, 자기부상열차, 초전도 소자, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 전자를 정밀하게 제어하는 것이 관건인 관련 산업 등에 널리 응용될 수 있어 이번 연구성과가 특히 눈길을 끌고 있다.
성균관대학교 물리학과 박두선 교수가 주도하고 서순범 박사과정 연구원(제1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었으며 미국 로스알라모스국립연구소와 공동연구로 진행되었다. 연구결과는 네이처 피직스(Nature Physics)지 12월 22일자 온라인판에 게재되었다.
연구팀은 원래부터 초전도성을 띠는 화합물(CeCoIn5)*을 선택하여 여기에 1% 이하의 미량의 카드뮴(Cd)을 첨가하여 인듐(In)자리에 치환한 결과 초전도 현상이 사라지는 것을 알아냈다. 초전도 형성원인을 밝힐 실마리로서 미량의 카드뮴(Cd) 첨가로 비교적 손쉽게 초전도 현상을 제어할 수 있게 되면 정밀한 전자제어가 필요한 초전도 산업분야에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한편 극저온에서 압력을 가하면 다시 초전도 현상이 회복되지만 양자임계현상은 나타나지 않는 것으로 나타났다. 즉, 카드뮴이 첨가되면 그 주위로 저항처럼 작용하는 스핀물방울이 쏠리면서 초전도 현상이 억제되는데 여기에 다시 압력을 가하여 스핀물방울을 작게 만들면 초전도 현상은 회복시킬 수 있지만 스핀물방울이 사라지지 않는다. 이러한 사실을 통해 양자임계현상이 비가역적인 반응임도 발견하였다.
박 교수는 “물이 얼었다가 온도가 높아지면 다시 물로 녹듯이 극저온에서 고체상태의 전자들이 압력을 받아 액체상태로 바뀌지만 여전히 미량의 전자 불순물들이 고체상태를 유지한 결과 새로운 양자역학적 현상이 나타나는 것으로 풀이된다”고 밝혔다.
