[신기술 소개] 초전도

(The origin of the anomalous superconducting properties of MgB

)

1986년에 고온 초전도체 분야에 지진이 있었 다：복잡한 결정 구조를 가진 층을 이룬 산화구리 가 엄청나게 높은 온도인 90~100K에서 초전도 현상을 가짐을 발견한 것이다(현재는 초전도가 일어나는 최고 온도는 실온 근처이다). 그리고, 여 진이 있었는데, 작년에 Jun Akimitsu가 간단한 금속 화합물이 그전까지 보고되었던 금속 화합물 보다 2배나 높은 온도에서 초전도 현상을 보인다 고 발표하였다. 산화구리 만큼은 되지 않지만, 이 붕소화 마그네슘(MgB2)은 전이온도가 39K이고, 응용 가능성이 아주 높다.

왜 이 화합물이 상대적으로 고온에서 초전도 현 상을 보이는가에 대한 우리들의 이해는 지난 18개 월 동안 급격히 향상되었다. Choi 등은 기본적인 원자 데이터와 물리 법칙으로부터 MgB2의 초전 도 구조를 계산하여, 이 물질이 그 전에 발견된 적 이 없는 ‘이중밴드’ 초전도체임을 발견하였다. 이 들은 MgB2의 전이온도를 정확하게 맞출 뿐 아니 라, 이중밴드 구조를 자세하게 그려낼 수 있는 계 산 기술을 활용하였다.

1980년대 초반까지는 초전도 현상을 잘 이해하 고 있다고 생각하였다. ‘높은’ 전이온도(당시에는 20K 정도)는 3가지 조건을 필요로 하였다：고밀도 의 전하 캐리어, 구성 원자의 열려진 d-궤도에 존재 하는 전자, 그리고 입방대칭적(cubic symmetric)인 결정 구조이다. 산화구리 고온 초전도체는 이 틀

에 맞지 않았다. 그것은 완전히 다른 종류의 물질 이기 때문이다. 반면에, 간단한 금속 화합물이지 만, MgB2는 위의 법칙을 깨뜨리면서도 높은 전이 온도를 보였다.

보통의 물질은 전자가 쌍을 이룰 때(cooper pairs) 초전도 현상이 나타난다. MgB2에서는, 원 자의 진동 또는 phonon에 의하여 생기는 전자간 의 인력 때문에 전자쌍이 형성된다. 이 현상은 동 위원소 치환 실험에 의하여 증명되었으며, 여러 계산 그룹이 세세한 부분까지 설명하였다. 그러나, 그 전까지 알려진 얌전한 초전도체와는 달리, MgB2는 전하 캐리어의 밀도가 높지 않고, 단지 간단한 s- 및 p- 껍질의 전자만이 초전도에 관여 하며, 비입방(non-cubic) 결정 구조를 가지고 있 다. 또 다른 사실이 MgB2를 더욱 놀랍게 만든다:

단지 몇 개의 원자 진동 모드만이 초전도 현상에 연관되어 있으며, 전하 캐리어 중 절반만이 초전 도에 의하여 영향을 받는다.

MgB2의 다결정은 쉽게 얻을 수 있지만, 단결정 샘플을 얻기가 힘들어서–최근에야 가압하에서 만들어졌다–확실한 실험 결과를 얻는 것이 지연 되었다. 그러나, MgB2는 구조적으로나 전자적으 로 단순한 물질이므로, 수 십년에 걸친 재료 계산 연구의 성과를 활용하여 이 물질의 초전도에 관한 많은 의문점들이 계산에 의해서 해결되었다. Choi 등의 결과는 현재까지 얻어진 가장 자세한 것이며, 초전도체의 기본 특성에 대한 완벽한 구조–에너 지 간격(energy gap)–를 밝힌 최초의 일이다.

에너지 간격은 전자가 쌍을 이루도록 하는 결합 에너지인데, 이것은 물질의 전이온도와 직접적으 로 관련되어 있다. 이것은 초전도체의 열역학적인 거동을 결정하며, 소자에 사용되었을 때 그 특성

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 20, No. 6, 2002…705

에 영향을 준다(예를 들면, Josephson 접합에서의 쌍 터널링). 대부분의 알려진 초전도체에서, 에너 지 간격의 크기는 초전도 현상에 관련된 전자쌍에 서 약간만 변화한다–등방성으로 간주된다. 그러 나, MgB2에서는 에너지 간격은 비등방성인 것 같 다–2개의 상이한 밴드를 가지는 즉, 전자쌍을 형 성하는 2개의 상이한 결합 에너지를 가진다. 이러 한 현상은 여러 그룹에 의해서 제안되었으며, Liu 등과 Golubov 등에 의해서 단순한 형태로 계산된 바 있다. Choi 등은 이것을 자세하게 계산하여 확 인하였다.

MgB2에서 나타나는 2개의 밴드는 초전도에 관 한 우리의 생각을 수정해야 함을 의미한다. 초전 도체의 주된 특성–임계 온도 및 에너지 간격–은 결합의 세기(coupling strength), 척력의 세기 (repulsion strength) 및 한 개 또는 두 개의 대표 적인 진동 주파수에 의해서 결정된다고 통상적으 로 알려져 있다. 이중밴드 초전도체에서는 이렇게 간단하지는 않다：4개의 결합 세기와 4개의 척력 세기가 있으며, 평균 결합 세기는 전이 온도나 열 역학적 특성들을 결정할 만큼 세지 않다. 이 물질 의 특성은 2개의 에너지 간격에 의하여 결정되는 데[그림 1], 하나는 전이온도 45K에 해당되고, 다 른 하나는 전이온도 15K에 해당된다. 이 2가지가 조화를 이루어, 전이 온도는 39K가 되는 것이다.

이 계산 값은 아마도 열역학적, 분광학적 실험으 로부터 추정된 값보다도 더 정확할 것이다.

초전도 현상에 관한 이중밴드 모델은 이론가들 이 40여 년간 주장해 온 것이지만, 최근까지도 주 장일 뿐이었다. Kondo는 전자와 전자의 반발에 의하여 생기는 이중밴드 초전도를 제안한 바 있었 는데, 이것은 2개의 간격이 다른 부호를 가질 때 가능하다. MgB2가 이것과 관련이 있다는 증거는 없다. 반면에, Lggett은 2개의 에너지 간격에 대 응하는 서로 다른 결합 에너지를 가진 전자쌍에서

양자역학적으로 유도되는 진동이 생긴다고 예측 하였다. MgB2에서 이러한 효과를 관찰할 수 있는 가능성이 있다.

MgB2가 새로운 종류의 초전도체라는 것은 분 명하고, 다른 금속 화합물도 초전도 현상을 보일 가능성이 있다. 또 다른 종류의 초전도체로는 특 정한 부류의 강자성(ferromagnetic) 물질이 있는 데, 이는 오랫동안 불가능한 것으로 생각되어 왔 다. 우리가 정말로 확신할 수 있는 것은 새로운 초 전도체가 전혀 예상치 못한 방법으로 계속 등장할 것이라는 것 뿐이다[Nature, vol. 418, p. 758 (2002)].

706…NICE, 제20권 제6호, 2002

신·기·술·소·개

Single-particle energy Energy gap Tc - 45K Energy gap Tc - 15K

Density of states

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그림 1. 이중간격 초전도체. 재료의‘에너지 간격’은 전자가 얼마나 쉽게 초전도쌍을 형성할 수 있는지를 나타내는 것이며, 따라서 초전도 현상이 일어나는 전 이온도와 관련이 있다. 통상적으로, 초전도체는 짝이 없는 전자의 상태(electron state) 스팩트럼에서 한 개 의 에너지 간격을 가지고 있다. 예를 들면, 이 그림에 서 파선으로 표시된 것이다. (초전도가 일어나지 않 는) 보통 상의 상태(state)는 에너지 간격의 바깥으로 밀려나서, 에너지 간격의 양쪽에 날카로운 봉우리를 남긴다. 그러나, Choi 등은 이붕소화 마그네슘은 2중 에너지 간격을 가지고 있는데, 하나는 전이온도 45K 에 해당되고, 다른 하나는 전이온도 15K에 해당됨을 보였다. 결과적으로, 전체적으로는 39K의 전이온도를 나타내게 되는데, 산화구리가 아닌 물질로는 비정상 적으로 높은 값이다.