1987년 요하네스 베드노르츠와 카를 뮐러는 구리화합물 고온 초전도체¹⁾(임계온도 35K(-238℃) 이상)를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 과학계는 구리화합물 초전도체의 임계온도를 133K(-140℃) 이상까지 끌어올리며, 상용화를 위해 노력해왔다. 하지만 희토류 원소²⁾가 들어가 제작 단가가 높고, 대량생산 시 균일한 성능을 유지하기 어려워 제한적 상용화만 가능한 실정이다.

최근 철-닉토겐 화합물 초전도체³⁾와 철-칼코겐 화합물 초전도체⁴⁾ 등 철을 주재료로 한 초전도체 연구가 활발하다. 비용이 저렴하고 다루기 쉽기 때문이다. 특히 미량의 불순물을 넣어 전자나 정공을 추가하는 도핑(doping)⁵⁾으로 철 화합물의 전자기적 성질을 바꿔, 초전도 임계온도를 올리려는 시도가 이어지고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희) 산하 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)의 김창영(서울대 물리천문학부 교수) 부연구단장 연구진은, 철-닉토겐 초전도체에 알칼리금속⁶⁾인 칼륨과 나트륨 원자를 표면에 붙여 전자 도핑하는 방법을 최초로 적용, 임계온도를 끌어올리는데 성공했다.

그 동안 초전도체 도핑은 화합물 내부에 특정 원자를 넣는 방법이 주를 이뤘다. 하지만 이 방법은 화합물 내 자유전자들을 산란시켜 초전도 성능 저하(임계온도 하락)를 일으키는 단점이 있었다.

이 때문에 원자를 넣지 않고 전자만 도핑하는 방법이 고안됐으나, 증착이 손쉬운 철-칼코겐 초전도체에만 적용됐다. IBS 연구진은 철-닉토겐 초전도체에 해당 기법을 최초로 적용해, 초전도체 성능의 잣대인 임계온도를 24K(-249℃)에서 41.5K(-231℃)로 획기적으로 끌어올렸다. 이로써 철 화합물 초전도체 상용화 가능성을 한 단계 높였다.

또한 연구진은 철-닉토겐 초전도체의 임계온도와 전자의 운동량․운동에너지 측정값들을 분석한 결과, 철-닉토겐 초전도체의 초전도성 발현에 중요하게 여겨졌던‘네스팅 조건’(nesting condition)⁷⁾이 관련 없음을 처음으로 밝혔다. 이로써 철-칼코겐 초전도체와 철-닉토겐 초전도체의 초전도성을 동일한 원리로 설명하는 이론의 토대를 마련했다.

김창영 강상관계 물질 연구단 부연구단장은 "철 기반 초전도체는 대량생산 시에도 초전도성을 균일하게 발현할 수 있고, 제작비용도 저렴한 것이 장점"이라며 "이번 연구로 임계온도가 높은 철 초전도체 개발의 가능성을 열었다"고 말했다.

김창영 부단장, 김용관 박사의 본 연구성과는 과학저널 네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 38.891)에 8월 16일자로 온라인 게재됐다.

▲ 철-닉토겐 초전도체에 알칼리 금속 표면 증착 전·후 네스팅 조건 변화
(a)전자 도핑(주입) 전·후의 전자 운동량(X축)과 운동에너지(Y축), 전자 도핑에 의해 전자 운동에너지 분포에 변화가 생겼다.
(b)전자 도핑 전·후의 페르미면 데이터, 네스트 조건이 많이 약화됐다.

▲ 철-닉토겐 초전도체에 도핑(주입) 정도(X축)에 따른 임계온도(Y축) 변화.
원소 대체 방법으로 도핑한 경우 도핑 농도가 커질수록(네스팅 조건 나빠짐) 초전도 임계온도가 낮아지는 반면, 표면 알칼리 금속 증착 방법의 경우 임계온도가 높아짐(네스팅 조건 나빠짐)을 확인했다.