고온 초전도체의 미스터리 하나가 풀리는 것인가?
Brrokhaven 국립 연구소의 연구진은 20년 동안 지속되어온 고온조전도체의 미스터리를 풀 수 있게 되었다고 발표하였다. 그들의 연구결과 재료의 전자 스펙트럼 에너지 레벨에 있는 ‘유사틈(pseudogap)’이 있어 전자가 소위 초전도 상태로의 전이 온도 위에서 쌍으로 튀어져 나가는 결과를 초래하지만 쌍이 비정합적으로 움직이기 때문에 초전도성을 띄지는 않는다는 것이 밝혀졌다.
절대 온도 0도 근처에서 동작하는 기존 초전도체에서는, 초전도성이 전자쌍이 형성되자마자 일이난다. 그러나 고온 초전도체에서는 전자가 쌍으로 형성되지만 ‘서로를 보지 못하는’일이 생기기 때문에 상 정합(phase coherence)을 이루지 못해 모든 쌍이 집합적으로 거동하게 된다고 Brookhaven 연구소의 물리학자인 Tonica Valla는 말한다.
이 유사틈의 기원은 초전도성을 갖기 위해 핵심적으로 필요한 전자쌍을 형성하는 메커니즘이기 때문에 고온 초전도체의 발견 이래 가장 큰 미스터리로 꼽히고 있다.
연구된 재료는 란타늄, 바륨, 구리, 산소로 구성되어 있으며 하나의 바륨 원자마다 8개의 구리 원자가 붙어 있는 특수한 형태의 화합물인데, 실제로 초전도체가 아니다. 바륨을 없애거나 첨가하면, 재료는 고온 초전도체로 거동하게 되지만(사실, 이 물질은 첫 번째로 발견된 고온 초전도체이다) 1:8 비율에서, 재료는 일시적으로 그 초전도성을 잃게 된다. 이 재료가 이 비율에서 초전도체가 아니더라도 그 에너지 신호-전자 스펙트럼에서 에너지 갭(유사틈)을 포함한-는 다른 고온 초전도체 상태와 같다.
Valla의 연구 그룹은 전자쌍이 처음 생기고 상 정합이 상변화의 열변동이 충분히 억제되어 초전도성을 유발하는 조금 낮은 온도에서 나중에 일어난다고 해석하였다.
“우리의 연구 결과 유사틈은 두 전자를 쌍으로 묶어주는 초전도를 일으키는 것과 같은 상호작용에 의해 유발되는 것으로 밝혀졌습니다”라고 Valla가 말했다. “그렇지만 고온 초전도체에서는 이 쌍은 첫 번째 단계일 뿐입니다.”
“초전도성 전이는 연기되었지만 아마도 짝이 지어지는 것이 너무 강해서 그런 것 같습니다. 비유하여 말하자면, 강한 짝지음이 강하게 변동하는 상과 함께 ‘작은’ 쌍을 만든다는 것입니다. 물질을 아주 낮은 온도까지 냉각해야만 상 요동이 억제되는 것이지요. 그 온도에서, 상이 고정되어 전자쌍이 정합되어 작동하고 시스템이 초전도체가 되는 것입니다.” (ACB)
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