수소가 풍부한 물질에서 보고된 초전도 온도는 203 K, 그리고 약 250 K까지 높아졌습니다. 다만 이 결과에는 극도로 높은 압력이 필요했습니다. 이번 글에서는 그 이론적 배경과 실험, 압력 조건을 함께 살펴보겠습니다.
1968년, 수소에 주목한 이유
수소는 주기율표에서 가장 가벼운 원소입니다. 이 특성은 초전도 연구에서도 중요합니다. 1968년, 닐 애슈크로프트(Neil W. Ashcroft)는 금속 상태의 수소가 매우 높은 임계온도를 가진 초전도체가 될 가능성을 제안했습니다.[1]
그 생각은 원자의 질량과 격자 진동에 연결됩니다. 전통적인 초전도 현상에서는 전자와 결정격자 진동의 상호작용이 중요한 역할을 합니다. 수소는 가벼워 높은 진동수로 진동할 수 있고, 이러한 진동은 더 높은 온도의 초전도 상태를 뒷받침할 가능성이 있습니다.
문제는 보통의 조건에서 수소가 금속이 아니라는 사실이었습니다. 금속 상태로 바꾸려면 엄청난 압력이 필요합니다. 연구진은 순수한 수소뿐 아니라 수소와 다른 원소가 결합한 수소화물(Hydride)도 탐색하게 되었습니다.
수소가 풍부한 일부 수소화물은 높은 압력에서 금속이 되고, 알맞은 조건에서는 초전도 상태에 들어갈 수 있습니다. 더 높은 임계온도를 향한 새로운 연구 경로가 열린 것입니다.
2015년, 203 K의 초전도 현상
2015년, 알렉산드르 드로즈도프(Alexander Drozdov), 미하일 에레메츠(Mikhail Eremets)와 동료들은 고압의 황–수소 계에서 약 203 K의 초전도 현상을 보고했습니다.[2]
수은계 구리산화물의 상압 기록인 약 133 K와 비교하면 큰 온도 상승이었습니다. 고온 초전도상은 압력 아래에서 형성되는 수소가 풍부한 물질, 특히 H₃S와 관련되어 있었습니다.
연구진은 전기저항이 사라지는 현상과, 외부 자기장에 따라 임계온도가 달라지는 모습을 관찰했습니다. 수소가 풍부한 물질이 이전 물질보다 훨씬 높은 온도에서 초전도 상태를 보일 수 있다는 결과였습니다.
다만 약 150 GPa 수준의 압력이 필요했습니다. 대기압의 약 150만 배에 이르는 압력입니다. 온도에서는 큰 도약을 했지만 그 상태에 도달하기 위한 극한 압력도 실험의 핵심 조건이었습니다.
다이아몬드 모루 셀과 극한 압력
이런 압력의 실험에는 다이아몬드 모루 셀(Diamond Anvil Cell)이라는 장치를 사용합니다. 두 다이아몬드 끝 사이에 작은 시료를 놓고 아주 좁은 면적에 힘을 가합니다. 접촉 면적이 작아 수백 GPa의 압력을 만들 수 있습니다.
이를 통해 행성 내부 깊은 곳과 비슷한 조건에서 물질을 연구할 수 있습니다. 고압 수소화물 초전도체의 중요한 발견들에도 이 기술이 기여했습니다.
그러나 시료는 극도로 작고 고압 영역도 제한된 공간에만 존재합니다. 다이아몬드 모루 셀 안에서 초전도 현상을 보이는 것과 전선이나 전자기기로 만들 수 있는 소재를 생산하는 것은 다릅니다. 실제 활용을 위해서는 이런 상태를 유지하는 데 필요한 압력을 낮춰야 합니다.
2019년, 약 250 K에 도달하다
2019년, 드로즈도프와 에레메츠 등이 참여한 연구진은 고압의 란타넘–수소 계에서 약 250 K의 초전도 현상을 보고했습니다.[3] 대표적인 관련 물질이 란타넘 수소화물인 LaH₁₀입니다.
극한 압력에서 수소 원자는 란타넘 원자 주변에 독특한 구조를 형성합니다. 연구진은 저항이 0으로 전이하는 현상과 자기장에 따른 임계온도의 변화를 조사했습니다. 필요한 압력은 약 170 GPa였습니다.
- 1911년 — 수은: 약 4 K.
- 1993년 — 수은계 구리산화물: 상압에서 약 133 K.
- 2015년 — 황 수소화물: 극한 압력에서 약 203 K.
- 2019년 — 란타넘 수소화물: 극한 압력에서 약 250 K.
최초의 발견에서 250 K까지 임계온도는 약 246 K만큼 높아졌습니다. 250 K는 섭씨로 약 −23°C로, 혹독한 겨울에 경험할 수 있는 온도입니다. 일상의 감각으로도 발전의 크기를 느낄 수 있지만, 최고 온도에 엄청난 압력이 필요하다는 한계는 남아 있었습니다.
수소화물과 전통적인 초전도 이론의 연결
수소화물은 이론과의 관계에서도 중요합니다. 구리산화물 고온 초전도체는 전통적인 BCS 틀만으로 완전히 설명하기 어렵습니다. 반면 H₃S와 LaH₁₀는 주로 전자와 격자 진동 사이의 강한 상호작용을 통해 이해합니다.
1957년 등장한 BCS 이론의 기본적인 생각과 다시 연결되는 셈입니다. 세부적인 계산에는 미그달–엘리아슈베르크 이론처럼 발전된 방법을 사용합니다. 수소의 가벼운 질량이 높은 진동수의 격자 진동을 만들고, 그것이 높은 임계온도에 기여한다는 연결이 중요합니다.
애슈크로프트가 1968년 제안했던 가능성이 소재 연구와 고압 기술의 발전을 거쳐 실제 실험에서 중요한 의미를 갖게 되었습니다.
압력 조건을 빼면 다른 의미가 됩니다
수소화물 결과에서 압력은 부수적인 실용화 문제가 아니라 실험 자체의 조건입니다. 압축된 시료에서 전이가 관찰되었다고 해서, 감압한 뒤에도 같은 상이 초전도 상태를 유지한다고 결론 내릴 수는 없습니다.
연구 기록온도와 압력이 결과가 보여주는 것
| 2015년 황 수소화물 계 | 약 155 GPa에서 203 K.[2] | 극한 압축 상태에서의 고온 초전도 전이입니다. |
| 2019년 란타넘 수소화물 | 약 170 GPa에서 약 250 K.[3] | 높은 압력에서 더 높은 전이온도를 보인 결과이며 상압 작동을 뜻하지 않습니다. |
1 GPa는 10억 파스칼입니다. 이런 조건은 전문적인 고압 장비로 만듭니다. 무엇을 달성했는지 설명하려면 온도와 압력을 함께 제시해야 합니다.
지난 글의 구리산화물 기록과 수소화물 기록의 차이는 온도뿐 아니라 실험 조건에 있습니다. 이 조건을 유지해서 읽어야 연구실의 결과를 곧바로 사용할 수 있는 상온 기술로 오해하지 않을 수 있습니다.