'고온 초전도체' 상압에서 구현…초전도 통합이론 알아낼까

초전도 현상은 어떤 물질의 전기 저항이 사라지는 현상을 말한다. 초전도체는 자석 위에서 떠오르는 성질이 있다. 게티이미지뱅크 제공

극저온 초전도 이론을 따르지 않는 고온 초전도체가 상압에서 구현됐다. 고압 상태에서는 불가능했던 분석이 가능해지면서 고온 초전도 현상을 설명할 통합 이론 발견이 속도를 낼 것으로 기대된다.

주오유 첸 중국 남방과학기술대 물리학부 교수팀은 상압 조건의 니켈산염(nickelate) 박막에서 고온 초전도 특성을 발견하고 연구결과를 17일(현지시간) 국제학술지 네이처에 공개했다.

어떤 물질에 전류가 흐를 때 이를 방해하는 저항이 사라지는 것을 초전도 현상이라고 한다. 초전도 현상은 대부분 '절대영도'인 0캘빈(K, 온도의 단위로 0K는 -273.15℃)에 가까운 극저온 상태나 초고압 상태에서 일어난다. 만약 상온·상압에서도 작동하는 초전도체를 구현할 수 있다면 손실 없이 에너지를 전송하는 등 수많은 기술적 혁신을 일으킬 것으로 기대된다.

상온과는 거리가 멀지만 절대영도보다 약 수십도 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질들을 고온 초전도체라고 부른다. 절대 영도 근처의 초전도 현상을 설명하기 위해 1957년 물리학자들이 제시한 BCS 이론 등이 등장했지만 고온 초전도체 같은 '비전통적 초전도체'는 그동안 원리가 명확히 설명된 바 없다. 다양한 고온 초전도체의 작동 방식을 설명하는 것은 현대 물리학 주요 과제 중 하나로 꼽힌다.

2019년 니켈이 함유된 화합물이 극저온에서 초전도 현상을 일으킨다는 사실이 발견되며 과학자들의 관심을 끌었다. 이후 관련 연구가 진행되며 니켈 화합물의 일종인 니켈산염의 초전도 현상이 고압 조건에서 실험적으로 구현됐다.

연구팀은 새로운 니켈산염 이중층 박막을 만들고 상압에서 고온 초전도 현상을 나타낸다는 것을 확인했다. 온도는 45K(약 -228℃) 수준이었다. 상압에서 고온 초전도 현상을 연구하면 고압 조건에서는 활용하기 어려웠던 분석을 진행할 수 있다. 고온 초전도에서 일어나는 전자의 거동을 훨씬 잘 이해할 수 있다는 뜻이다.

첸 교수는 네이처에 "전세계 주요 연구소가 니켈산염을 연구하기 위해 움직이고 있다"며 "니켈산염이 초전도를 설명하는 여러 이론을 통합하는 열쇠를 쥐고 있을 수도 있다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]