납 기반 소재가 상온과 상압에서 완벽하게 전기를 전도한다는 주장에 회의적인 시각이 많습니다.

이번 주 소셜 미디어는 상온뿐만 아니라 대기압에서도 작동하는 새로운 초전도체에 대한 주장으로 떠들썩했습니다. 사실이라면 이 발견은 응집 물질 물리학에서 가장 큰 발견 중 하나가 될 것이며, 공중 부양 차량과 완벽한 효율의 전기 그리드와 같은 모든 종류의 기술적 경이로움을 불러올 수 있습니다. 그러나 7월 22일 한국 양자에너지연구센터의 이석배, 김지훈 박사와 동료들이 arXiv 출판 전 논문 저장소 서버에 게시한 두 편의 관련 논문은 세부 내용이 부족하여 많은 물리학자들이 회의적인 반응을 보이고 있습니다. 연구진은 <사이언스>의 논평 요청에 응답하지 않았습니다.

아르곤 국립연구소의 이론가인 마이클 노먼은 “그들은 정말 아마추어처럼 보입니다.”라고 말합니다. “그들은 초전도에 대해 잘 알지 못하며 일부 데이터를 제시하는 방식이 수상쩍습니다.” 반면에 아르곤과 다른 곳의 연구자들은 이미 이 실험을 복제하려고 노력하고 있다고 그는 말합니다. “이곳의 사람들은 이 문제를 진지하게 받아들이고 이를 발전시키려고 노력하고 있습니다.” 일리노이대학교 어바나 샴페인 캠퍼스의 응집 물질 물리학자인 나디아 메이슨은 “저자들이 적절한 데이터를 사용했고 그들의 제작 기술에 대해 명확하게 설명해 준 것에 감사한다”고 말합니다. 하지만 그녀는 “데이터가 약간 엉성해 보인다”고 경고합니다.

초전도체란 무엇인가요?

초전도체는 저항이 전혀 없이 전류를 전달할 수 있는 물질입니다. MRI를 찍어본 적이 있다면 초전도선으로 만든 커다란 전자석 안에 누워본 적이 있을 것입니다. 저항이 없는 흐름 덕분에 가열하거나 막대한 에너지를 소비하지 않고도 매우 강한 자기장을 만들 수 있습니다. 초전도체는 무선 통신을 위한 주파수 필터를 만드는 것부터 원자 분쇄기의 입자를 가속하는 것까지 무수히 많은 다른 용도로 사용됩니다.

특이하네요. 초전도는 어떻게 발생하나요?

일반적으로 전자는 결정 격자에서 진동하는 원자에 반사되기 때문에 결정성 고체를 쉽게 통과할 수 없습니다. 그러나 일부 물질에서는 충분히 낮은 온도에서 전자가 느슨하게 결합하여 겹치는 쌍을 형성하는데, 이 쌍을 깨뜨리지 않고는 전자를 굴절시킬 수 없습니다. 그리고 낮은 온도에서는 진동이 충분히 강하지 않습니다. 따라서 이 전자는 방해받지 않고 물질을 통과합니다.

초전도체가 많이 존재하나요?

납, 수은, 니오븀, 주석 등 수십 가지 원소 금속과 이들의 합금은 절대 영도에 가깝게 냉각되면 초전도체가 됩니다. 1950년대에 물리학자들은 이러한 기존 초전도체에서 격자 진동이 전자 쌍을 생성하는 접착제를 공급하는 원리를 설명했습니다. 1980년대에 실험자들은 구리와 산소 층을 포함하는 복잡한 화합물이 133°C의 높은 온도에서 초전도하는 것을 확인했고, 20년 후 연구자들은 철과 비소 층을 포함하는 화합물이 거의 같은 온도에서 초전도할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 과학자들은 이러한 고온 초전도체도 전자 쌍에 의존하지만 다른 메커니즘을 통해 생성된다고 생각합니다. 최근 한 그룹은 수소, 황, 탄소가 포함된 화합물에 대해 비록 고압이긴 하지만 상온에서 초전도를 달성했다는 논란의 여지가 있는 주장을 제기했습니다.

한국 단체는 무엇을 주장하고 있나요?

궁극의 초전도체에 다름 아닙니다. 동료 검토를 거치지 않은 프리프린트에서 연구자들은 납, 산소, 인의 일반적인 원소로 이루어진 물질에 구리를 첨가하거나 “도핑”하면 물의 끓는점보다 최소 400K 이상 높은 압력과 온도에서 초전도를 일으킨다고 주장합니다. 즉, 이 물질의 샘플을 구워서 오븐에서 꺼낸 다음 실험실 벤치에 올려놓기만 하면 저항 없이 전기를 전도할 수 있다는 것입니다. 연구진은 저항이 전혀 없을 뿐만 아니라 이 물질이 초전도의 주요 특징인 자기장을 방출하는 것처럼 보인다는 데이터를 제시합니다.

회의적인 이유는 무엇인가요?

노먼은 몇 가지 이유가 있다고 말합니다. 첫째, 도핑되지 않은 물질인 납 아파타이트는 금속이 아니라 비전도성 광물입니다. 이는 초전도체 제작을 위한 좋은 출발점이 될 수 없습니다. 게다가 납과 구리 원자는 전자 구조가 비슷하기 때문에 납 원자의 일부를 구리 원자로 대체해도 재료의 전기적 특성에 큰 영향을 미치지 않는다고 노먼은 말합니다. “바위를 가지고 있고 여전히 바위로 끝나야 합니다.” 게다가 납 원자는 매우 무겁기 때문에 진동을 억제하고 전자가 쌍을 이루기 어렵게 만들 수 있다고 노먼은 설명합니다.

논문 저자가 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 수 있나요?

이 논문은 물리학에 대한 확실한 설명을 제공하지는 않습니다. 하지만 연구진은 물질 내에서 도핑이 자연적으로 발생하는 납 원자의 긴 사슬을 약간 왜곡한다고 추측합니다. 그들은 초전도가 이러한 1D 채널을 따라 발생할 수 있다고 말합니다. 그러나 1D 시스템은 일반적으로 초전도를 생성하지 않기 때문에 이는 놀라운 일이라고 노먼은 말합니다. 게다가 도핑으로 인한 장애는 초전도를 더욱 억제해야 합니다. 노먼은 “1차원은 나쁜 것이고, 무질서도 나쁜 것입니다.”라고 말합니다. 메이슨은 그렇게 확신하지 못합니다. 그녀는 또한 리와 김이 사슬에 일종의 전하의 기복이 존재할 수 있으며 고온 초전도체에서 유사한 전하 패턴이 발견되었다고 제안한다고 말합니다. “어쩌면 이 물질이 강력하게 상호 작용하는 비전통적인 초전도체에 딱 들어맞는 물질일지도 모릅니다.”라고 그녀는 말합니다.

이것은 어떻게 해결될까요?

가장 큰 문제는 누구든 이 관찰을 재현할 수 있느냐는 것입니다. 납 인회석은 다른 사람들도 합성할 수 있는 잘 알려진 물질이기 때문에 그리 어렵지 않을 것이라고 노먼은 말합니다. 하지만 소셜 미디어의 일부 관중들이 생각하는 것처럼 그렇게 하는 것은 그리 간단하지 않습니다. SLAC 국립 가속기 연구소의 응집 물질 물리학자인 제니퍼 파울리는 트위터에서 “일반 대중은 4일간의 다단계 소량 고체 합성이 얼마나 ‘쉬운지’에 대해 이상하게 열광하는 것 같습니다.”라고 말했습니다. “유봉을 과도하게 사용해서 물집이 생기지 않은 분들도 계실 겁니다.” 그럼에도 불구하고 물리학자들은 이 주장을 매우 빠르게 시험해 볼 것이라고 노먼은 예측합니다: “이것이 사실이라면 일주일 안에 알 수 있을 것입니다.”