상온 초전도체 이후 ‘아카이브’ 논문, 챗GPT에 설명을 부탁했다

[이데일리 김혜선 기자] 국내 민간 연구진이 상온 초전도체 ‘LK-99’를 발견했다는 주장이 제기된 이후, 전세계에서 LK-99가 정말 초전도체인지 검증에 나섰다. 과학자들은 연구진이 제시한 방법대로 LK-99를 지현하는 실험적 검증을 하거나, 컴퓨터 시뮬레이션을 돌려 연구진의 주장이 맞는지 검토하는 이론적 검증 두 가지 방법을 취하고 있다.

(사진=게티이미지)

실험적 검증의 경우, 미국, 중국, 인도, 프랑스 등 여러 나라에서 진행 중이다. 인도 연구진과 일부 중국 연구진은 LK-99를 재현했지만 반자성 등 초전도체의 특징을 보이지 않았다는 결과를 내놨다. 반면 중국 화중과학기술대학교 재료공학부 연구팀은 LK-99를 제대로 재현했다며 자석 위 LK-99가 약간 떠 있는 동영상까지 공개했다. 하지만 영상 속 LK-99가 정말 초전도체인지 검증은 되지 않은 상태다. 중국 연구진의 결과는 아직 저항이 0인지 측정하지 않았다. 또한 이들이 공개한 것은 자석 위에서 LK-99가 일부 떠오른 영상이 전부다.

어떤 물질이 초전도체로 인정받으려면 1. 특정 온도 아래에서 저항이 0일 것 2. 자석의 자기력을 완벽히 밀어내 공중으로 뜨는 ‘마이즈너 현상’이 일어날 것 3. 상전이 현상이 일어날 것 세 가지 조건을 충족해야 한다.

이론적 연구 논문 챗GPT에 물어보니

이론적 연구의 경우 LK-99가 초전도체일 가능성이 있다는 관측과 ‘새로운 물질’이라는 관측이 뒤섞여 나오고 있다. 이에 미국의 시네이드 그리핀 로렌스버클리국립연구소(LBNL)와 대니얼 데사우 콜로라도대학교 물리학과 교수 겸 국립재생에너지연구소 박사가 내놓은 시뮬레이션 논문과, 중국 시베이대학(NWU)에서 내놓은 시뮬레이션 논문을 살펴봤다. 비전공자를 위해 챗 GPT에 “10살 어린이도 이해할 수 있도록 설명해달라”고 입력해 정리했다.

먼저 지난 1일 게시된 LBNL의 논문에서는 시뮬레이션을 돌려본 결과, 특정한 조건을 만족하면 LK-99에서 초전도 현상이 일어날 것이라고 봤다. 일정한 원자 배열을 만족하면 상온 초전도성에 나타날 수 있다는 것이다. 다음은 챗GPT가 정리한 논문의 내용이다.

“이 연구에서는 LK-99의 특별한 구조를 살펴봤어요. 이 구조 안에 있는 전자의 움직임과 특성을 조사했죠.

그 결과, 특이한 형태로 배열된 구리와 산소 사이 결합 때문에 전자들이 특별한 방식으로 움직이는 밴드라는 것을 발견했어요. 이러한 밴드는 다른 전자들과 강하게 상호작용하기 때문에 특별한 성질을 가진다고 생각해요. 이것은 높은 온도에서 특별한 초전도 물질이 발견될 수 있음을 시사합니다.

또한, 구리끼리는 서로 다른 방향으로 자기력을 가지고 있어요. 예를 들어, 두 개의 구리가 서로 같은 방향으로 자기력을 가지면 페로마그네틱이라고 하고, 반대로 자기력을 가지면 안티페로마그네틱이라고 해요. 하지만 이러한 결과는 구리가 모두 같은 위치에 있을 때에만 적용되는 가정을 기반으로 하기 때문에, 더 많은 실험적 연구가 필요하다고 생각해요.”

2일 대니얼 데사우 박사가 내놓은 논문에서도 LK-99가 상온 초전도체인지는 알지 못하지만, 이론적인 가능성이 있다고 짚었다. 이 논문에서도 특정한 조건을 만족할 경우 LK-99에 초전도 현상이 일어날 수 있다고 봤다. 다음은 챗 GPT의 설명이다.

“여기서는 물질에 대해 알아보는 연구를 하고 있어요. 이 물질의 이름은 CuPb9(PO4)6O라고 해요. 이 물질은 구리에 여러 물질을 섞어서 만든거에요. 이 물질에서 전자라는 작은 입자들이 어떻게 움직이는지 알아볼 거에요.

그래서 연구한 결과, 이 물질의 전자들이 특별한 방법으로 움직이는 걸 발견했어요. 이 전자들은 구리와 산소라는 물질들이 섞여서 만든 상태로 움직여요. 이 상태를 Cu-O 하이브리드 상태라고 해요.

또 이 물질의 전자들은 특이하게도 매우 평평하게 움직이는데, 마치 넓은 길에서 아주 작은 기차들이 똑같이 움직이는 것과 비슷해요. 이렇게 매우 평평하게 움직이는 상태는 많은 전자들이 특정한 에너지 레벨에서 모여서 모여있는 걸 의미해요. 이것은 ‘전자 상태 밀도’라고 해요. 이 특별한 전자 상태 밀도는 새로운 전자 물리학을 연구하는데 중요한 기반이 될 수 있어요. 심지어 상온에서도 초전도를 나타낼 수도 있을지도 몰라요.

하지만 이 상태들은 대칭적인 것들이 변하면 영향을 받아서 그 상태가 변할 수도 있어요. 실제 물질에서는 이러한 영향을 방해하는 무질서한 부분들이 있어서 그 영향을 막을 수도 있어요.

마지막으로, 이 평평한 상태들이 나타난 이유는 구리와 산소라는 물질들이 서로 약하게 상호작용하기 때문이라고 해요. 그래서 앞으로는 구리와 산소 사이의 상호작용을 약하게 만들면서도 그들이 함께 작용하는 적절한 물질 구조를 찾는 것이 중요해요. 이렇게 평평한 상태들을 만들면 높은 온도에서도 초전도를 나타낼 수 있을지도 몰라요. LK-99가 그런 물질인지는 아직 알 수 없지만, 이러한 연구는 미래에 아주 놀라운 발견을 할 수 있을 거에요.”

반면 중국 시베이대가 내놓은 논문은 LK-99가 초전도체가 아닌 새로운 물질일 가능성을 봤다. 앞서 미국 연구진이 내놓은 연구와 비슷하게 LK-99의 원자 배열이 특정한 조건을 만족하면 초전도 현상을 보일 수 있다면서도, 초전도체의 강한 반자성 응답은 보이지 않을 것으로 예상했다. 자석 위에서 붕 뜨는 마이스너 현상이 일어나지 않는다는 얘기다. 다음은 챗 GPT의 설명이다.

“우리는 Pb9Cu(PO4)6O라는 물질에 대해 공부했어요. 이 물질은 아주 특별한 성질을 가지고 있답니다.

이 물질은 입자들끼리 아주 강력하게 상호작용하고 있어요. 그렇기 때문에 운동하는 에너지보다 상호작용하는 에너지가 훨씬 더 크게 작용하게 되죠. 이렇게 되면 이 물질은 아주 특별한 상태를 만들어낼 수 있답니다. 바로 전자들이 쉽게 상호작용해서 저항이 거의 없는 초전도성을 띨 수 있다는 말이에요.

그리고 이 물질은 조금 이상한 점이 있어요. 우리가 예상한 것과는 달리, 이 물질은 강한 반자성 특성을 보이지 않았어요. 그래서 이상하게 생각할 수도 있지만, 이런 것들은 실험과정에서 물질을 바꾸는 작은 변화들로 인해 생길 수 있다고 생각해요.

그래서 이 물질에 대해 더 깊이 이해하기 위해서는 실험 과정에서 물질에 무언가를 넣거나 빼서 물질의 특별한 성질을 바꿔볼 수 있어요. 이렇게 하면 우리는 물질이 왜 이런 특별한 성질을 가지는지 더 잘 알 수 있을 거에요.”

김혜선 (hyeseon@edaily.co.kr)