포항가속기연구소, 4세대 방사광가속기로 고온 초전도체 현상 관측

포항가속기연구소(PAL, 부소장 김광우)의 장호영 박사팀이 미국 스탠포드 국립가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 이준식 박사팀과 공동 연구를 통해 구리 산화물 초전도체에서 순간적으로 나타나는 전하밀도파의 3차원 특성을 레이저를 이용하는 방법으로 고온 초전도 현상의 신비를 푸는 열쇠를 찾았다. 이 연구는 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재되었다.

초전도 현상은 물질의 온도가 특정값(임계온도)보다 더 낮아지면 전기 저항이 없어지는 현상이다.

이를 이용하면 100% 에너지 효율을 얻을 수 있기 때문에 초전도물질을 개발하여 높은 효율의 전기저장이 필요한 전력시설, 송전 분야에 사용될 장비 및 부품을 만들어낼 수 있으며, 자기부상 열차 등 교통수단의 혁명을 일으킬 수 있다.

초전도 현상이 일어나는 물질은 특정온도(임계온도)에 따라 구분할 수 있는데, 영하 243도(-243℃, 절대온도 30K) 이하는 저온 초전도체, 그 이상은 고온 초전도체, 영상 15~25℃인 물질은 상온 초전도체로 분류할 수 있다.

실생활에 널리 사용할 수 있는 상온 초전도체 개발을 위해서는, 저온 및 고온 초전도체의 원리를 이해하는 것이 무엇보다 중요하다. 초전도체의 활용 가능성이 무궁무진한 만큼 초전도체 물질 개발에 많은 연구가 이루어지고 있지만 고온 초전도 현상을 명확하게 풀이한 이론은 없다.

고온 초전도체인 구리 산화물을 이용하여 외부에서 가해주는 강한 자기장에 의한 변화와 레이저를 조사하여 나타나는 변화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 레이저를 조사할 때 나타나는 순간적인 변화를 관측하는 방식이 새로운 접근 방법으로 주목받고 있다. 또한 최근 구리 산화물 초전도체가 레이저가 조사된 직후 짧은 시간 동안 상온 초전도체의 특성을 보인다는 연구 결과가 보고되고 있다.

연구팀은 포항가속기연구소의 4세대 선형 방사광가속기(PAL X-ray Free Electron Laser, 아래 PAL-XFEL)에서 대표적인 고온 초전도체 이트륨 바륨 구리 산화물을 레이저의 세기와 X-선의 파장을 조절해 가면서 펨토초(1,000조 분의 1초) 시간 단위로 분석했다.

그 결과, 짧은 시간동안 전하밀도파)에 3차원 특성이 나타남을 세계 최초로 관측함으로써, 강한 자기장에 의해 나타나는 전하밀도파의 특성을 그대로 재현하였다.

이는 그동안 베일에 싸여있던 고온 초전도 구리 산화물의 전자구조와 전하밀도파의 상관관계를 밝히는 중요한 근거가 될 것으로 기대된다.

장호영 박사는 “레이저 조사 직후, 고온 초전도 구리 산화물의 특성이 빠르게 변화되는 현상을 포항가속기연구소 PAL-XFEL로 실시간(펨토초)으로 분석할 수 있었다”며 “이번 연구를 통해 고온 초전도체에서 강한 자기장으로만 관측 가능했던 현상을 레이저 조사 기법을 이용해 재현하였고, 다양한 초전도물질 개발 및 연구와 원리 이해에 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것”이라고 강조했다.

본 연구는 포항가속기연구소를 비롯하여 포항공과대학교, 미국 스탠포드 국립 가속기연구소, 독일 막스플랑크 고체물리연구소, 일본 도호쿠 대학교, 일본 이화학 연구소가 공동으로 연구를 수행하였다.