Cuprate, 초전도체를 막는 전기적 그리드락
초전도체는 가끔 전기적 그리드락(gridlock)의 형성에 의해 막히는 것처럼 보일 때가 있다. 이러한 현상을 설명할 수 있는 한 가지 가능성이 미국 뉴욕의 Cornell 대학의 연구진에 의해 제시되었다. 특정 구리 산화물(cuprate)은 고온 초전체가 될 수 있지만 동시에, 조금 다른 구성이지만, 그리드락에 의해 막힐 수도 있다.
고정밀 주사 터널링 현미경(STM)으로 약하게 홀(hole) 도핑된 cuprate 결정을 검사하여 무질서하게 분포되어 있는 구리-산소-구리(Cu-O-Cu) 결합의 전기적 구조에 강한 변화를 준다는 것이 밝혀졌다. 연구진은 손실 전자가 4개의 유닛 결정마다 존재하는 거대한 사각형 지역을 발견하였다. 이는 cuptate에서 전자 띠로 관찰되어온 것을 직접적으로 관찰한 첫 번째 사건이다.
TA 이미징
STM은 표면의 원자 크기의 단차를 움직이는 원자 크기의 팁을 사용한다. 전압이 팁과 표면에 인가되었을 때 둘 사이에 터널링 전류라고 알려진 작은 전류가 흐르게 된다.
STM의 뛰어난 정확도로 전자 상태의 공간적 배열을 이미지화할 수 있었다. 그러나 홀의 분포를 이미지화하는 데에는 한계가 있었다. 이 연구(Princeton 대학의 명예교수이자 노벨 상을 받은 Philip W. Anderson에 의해 제안된)에서는 탐색하는 각 포인트의 반대 방향의 전류를 비교하였다. 전자를 조금 가진 영역(홀이 많은 영역)에서는 보다 많은 전자가 팁에서 이들 구멍으로 흘러내려간다는 것이 밝혀졌다. 이 과정을 TA(tunneling asymmetry) 이미징이라고 칭하였다.
결과
연구진은 10%의 전자가 제거되고 홀로 교체된 cuprate 결정을 연구하였다. 두개의 다른 화학 성분과 결정구조, 도핑 특성이 다른 2개의 cuprate를 이미징한 결과, 결정 내 원자의 공간적 배열이 실제적으로 동일하다는 결과를 얻었다.
TA-이미징이 이루어진 영역은 Cu-O-Cu 결합 내에서 홀이 산소 원자 주변에 집중되어 있다는 것을 뜻한다. “정말 놀라운 사실은 이 물질을 표면에서 먼 거리에서 맵핑한다면 질서정연한 패턴을 관찰할 수 없다는 것입니다”라고 물리학 교수인 J.C. Seaus Davis가 말했다.
“우리는 이런 사실을 상상도 못했습니다. 더 재밌는 것은 넓은 면적에서 관찰하면 홀은 정확하게 네 개의 단위 결정 간격으로 떨어져 사각형의 모습하고 배열되어 있는 것으로 관찰된다는 것입니다”라고 그는 덧붙였다. 소위 나노스트립이라고 불리는 이것은 결정격자를 따라 배열하지만 무질서하게 배열되어 있다.
“홀의 숫자를 늘리면 이들 나노스트립은 다른 실험에서처럼 정렬되어 있는 것으로 보인다는 것은 정말 그럴듯합니다”라고 Davis가 말했다. 이제 어떻게 홀이 초전도가 억제된 경우 패턴을 형성하도록 배열하는가를 정확히 알아내는 것이 가장 핵심적인 연구 과제라고 할 수 있다. (ACB)