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BSCCO 초전도성의 최적화와 보편 마디 들뜸

전문가 제언: ○ 고온초전도체(HTS: High Temperature Superconductor)라고 불리는 구리산화물 초전도체가 발견된 지 20년이 넘었다. 그간 막대한 연구비와 수많은 과학기술자가 이 분야에서 노력하였으나 발견 초기에 기대했던 다양한 응용은 아직 실현되지 않았다.

○ 최소한 4개의 원소로 구성된 층상구조의 화합물인 HTS는 물리학과 같은 기초분야는 물론이고 재료, 전기 등 공학 분야에서도 악몽과 같은 물질이다. 액체질소온도(77K)보다 높은 임계온도(Tc)를 보여주지만 실용화에 필요한 임계전류는 원하는 만큼 높지 않다. 그밖에 여러 물성이 비등방성을 보인다.

○ 그동안 실험을 통하여 각종 성질이 알려졌다. 그러나 가장 기초적인 의문인 “HTS가 왜 높은 Tc를 가지는가?”에 대해 만족스럽게 설명할 수 없다. 기본 메커니즘의 이해가 충분치 않기 때문이다.

○ Bi2Sr2CaCu2O8+δ(BSCCO)는 Tc가 90K이 넘는 대표적인 HTS 중의 하나이다. 이 논문에서는 원자 수준의 분해능을 가진 주사터널링현미경(STM)을 사용하여 에너지 간격을 측정하였다. 에너지 간격(energy gap)은 초전도체의 기본적인 특성 중의 하나로 Tc와 직접적인 관계가 있다.

○ HTS는 d파 대칭을 가지므로 에너지 간격과 Tc의 관계가 BCS형 s파 저온초전도체의 경우처럼 간단하지 않다. 그렇더라도 이 논문에서는 마디(node)에서의 스펙트럼이 보편 곡선(universal curve)을 따르는 부분이 클수록 Tc가 높다는 상관관계를 도출하였다.

○ BSCCO를 비롯한 모든 HTS는 비슷한 상태도(phase diagram)를 보이며 Mott 절연체에 정공(hole)을 도핑하면 초전도체로 된다. Tc가 가장 높은 최적도핑 상태는 실험으로 알 수 있다. 그러나 왜 그렇게 되는지를 알아야 새로운 물질을 합성하는 데 이용할 수 있다.

○ 이 논문의 결과는 HTS의 Tc와 도핑과의 관계를 이해에 도움이 되며 궁극적으로 HTS의 기본 메커니즘 규명에 기여할 것이다.

저자: Aakash Pushp et al
자료유형: 학술정보