초전도체는 전자를 정밀하게 제어하는 자기부상열차 분야에도 널리 응용된다. 사진은 세계 두 번째로 개발된 도시형 자기부상열차. 오는 7월 인천공항역~용유역(6.1㎞ 6개 역) 구간에서 국내 최초로 운행될 예정이다. 연합뉴스

- 초전도 관련 산업에 응용 기대

국내 연구진이 카드뮴(Cd)으로 자기부상열차 등에 쓰이는 고온초전도체를 제어할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

■어떻게 알아냈나

19일 미래창조과학부에 따르면 성균관대 물리학과 박두선 교수팀은 미국 로스알라모스 국립연구소와의 공동연구에서 초전도성을 띤 화합물에 소량의 카드뮴을 첨가하면 초전도 현상이 사라지는 것을 알아냈다.

카드뮴은 아연족 원소의 하나로 연성(延性)과 전성(展性)이 좋고 중성자를 흡수하는 능력이 있어 도금, 합금, 원자로의 연쇄 반응 조절 등에 쓰인다. 초전도는 저항이 '0'이 되면 전류가 손실 없이 자유롭게 흐르는 현상이다.

고온초전도체는 통상적인 액체질소 온도인 77K(영하 196도)보다 높은 상태에서 초전도 현상을 보이는 것이다. 비싼 액체 헬륨이 필요한 저온초전도체와 달리 저렴한 액체 질소 환경에서도 작동한다는 장점 때문에 차세대 물질로 주목받고 있다.

그러나 고온초전도체가 초전도 현상을 나타내는 근본 원인은 밝혀지지 않았다. 초이 현상을 유도하기 위해 첨가하는 화학물질이 '불순물 효과'를 일으켜 순수한 초전도 현상의 원인을 찾기가 어렵기 때문이다.

이에 따라 연구팀은 원래부터 초전도성을 띠는 화합물(CeCoIn5)에 주목했다. CeCoIn5는 세륨(Ce), 코발트(Co), 인듐(In)을 포함한다. 자기장이나 전기장 또는 화학적 치환 등이 없어도 자연적으로 고온초전도 특성을 띠는 화합물이다. 여기에다 1% 이하의 미량 카드뮴을 첨가하고 인듐(In) 자리에 치환한 결과 초전도 현상이 사라지는 것을 발견했다.

연구팀은 "이번 연구 결과는 초전도 형성의 원인을 밝힐 실마리가 될 것"이라며 "전자를 제어하는 것이 주요 역할을 하는 초전도 산업분야에 기여할 것"이라고 말했다.

■기대효과

이번 연구는 태생적으로 초전도 현상을 띠는 '양자임계초전도체'인 CeCoIn5를 통해 처음으로 불순물이 초전도 및 양자임계 현상의 변화에 대해 어떤 역할을 하는지에 대한 결과를 얻었다.

양자임계는 영하 273도에서 압력이나 자기장 등을 변화시킬 때 열적 요동이 아닌 양자 요동으로 인해 고전 물리이론과 다르게 나타나는 것이다. 이에 따라 향후 더 다양한 복잡전자물질계의 전자구조를 이해하는 기반이 될 전망이다.

또 초전도와 관련된 각종 산업 등에 응용될 것으로 예상된다. 특히 초전도체는 '꿈의 전선'이라 불리는 초전도 케이블에서부터 자기공명장치, 자기부상열차, 초전도소자, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 전자를 정밀하게 제어하는 분야에 널리 쓰일 것으로 보인다.