포항가속기연구소(PAL)는 장호영 XFEL 응용과학팀 박사팀이 미국 스탠포드 국립가속기 연구소(SLAC) 이준식 박사팀과 공동으로 레이저를 이용해 구리 산화물 초전도체에서 순간적으로 나타나는 전하밀도파의 3차원 특성을 이해할 수 있는 열쇠를 찾았다고 10일 밝혔다.
초전도 현상은 물질의 온도가 특정값(임계온도)보다 더 낮아지면 전기 저항이 없어지는 현상이다. 이를 이용하면 100% 에너지 효율을 얻을 수 있어 높은 효율의 전기저장이 필요한 전력시설, 송전 분야에 사용될 장비 및 부품을 만들 수 있다.
초전도 현상이 일어나는 물질은 임계온도에 따라 구분할 수 있다. 영하 243도 이하는 저온 초전도체, 그 이상은 고온 초전도체, 영상 15~25℃인 물질은 상온 초전도체로 분류한다. 실생활에 널리 사용할 수 있는 상온 초전도체를 개발하려면 초전도체 원리 이해가 필수다.
연구팀은 포항가속기연구소의 4세대 선형 방사광가속기(PAL-XFEL)에서 대표적인 고온 초전도체 이트륨 바륨 구리 산화물을 레이저 세기와 X-선의 파장을 조절해 가면서 펨토초 시간 단위로 분석했다. 그 결과, 짧은 시간동안 전하밀도파에 3차원 특성이 나타남을 세계 최초로 관측했다. 강한 자기장에 의해 나타나는 전하밀도파 특성을 그대로 재현했다. 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 PAL-XFEL로 실시간 분석할 수 있었다. 이번 연구를 통해 고온 초전도체에서 강한 자기장으로만 관측 가능했던 현상을 레이저 조사 기법을 이용해 재현했고, 다양한 초전도물질 개발 및 연구와 원리 이해에 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것”이라고 말했다.
포항가속기연구소와 포스텍, 미국 스탠포드 국립 가속기연구소, 독일 막스플랑크 고체물리연구소, 일본 도호쿠 대학교, 일본 이화학 연구소가 공동으로 수행한 이번 연구성과는 최근 소재 분야의 세계적인 학술지인 '사이언스 어드밴시'에 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
