최근 철(Fe) 기반 초전도체에 대한 학계의 관심이 뜨겁다. 철 화합물 초전도체는 아직 구리(Cu)화합물 고온 초전도체¹⁾에 비해 임계온도(구리 기반 초전도체 : 133K(-140℃), 철 기반 초전도체 : 100K(-173℃))가 많이 낮지만, 재료가 저렴하면서 결점이 있어도 초전도성이 강하기 때문에 각광받는 미래 소재로 떠올랐다.

초전도체의 임계온도를 올리기 위한 연구는 초전도성의 원인 규명에서 시작한다. 우선 철 화합물 초전도체는 구성 물질에 따라 비소(As) 등이 들어간 철-닉토겐 초전도체²⁾와 셀레늄(Se) 등이 포함된 철-칼코겐 초전도체로 나뉘는데, 둘은 페르미면의 분포와 물성이 서로 다르다. 철-닉토겐 초전도체의 경우 네스팅 조건³⁾과 초전도성이 밀접한 관련이 있다는 선행 연구들이 있어, 같은 철 화합물임에도 네스팅 조건이 없는 철-칼코겐 초전도체의 초전도성과는 서로 다른 메커니즘을 가질 것으로 인식돼 왔다.

IBS 강상관계 물질 연구단 김창영 부연구단장 연구진은 이번 연구로 알칼리금속⁴⁾ 원자를 금속 표면에 붙여 초전도 현상이 어떻게 변화하는가를 관찰함으로써, 철-닉토겐 초전도체가 네스팅 조건과 관계없이 초전도성을 가짐을 증명했다. 이로써 두 종류의 철 화합물 초전도체를 모두 설명할 수 있는 통일 이론의 가능성을 확인했다.

연구진은 철-닉토겐 초전도체에 일반적으로 특정 원자를 화합물 속에 주입해 도핑⁵⁾하는 방법과 달리, 나트륨(Na)과 칼륨(K)원자를 초전도체 표면에 증착시켜 도핑하는 방법을 고안했다. 이후 실시간으로 각분해 광전자 분광기로 전자구조를 측정해, 초전도체 표면 전자의 운동량과 운동에너지를 측정했다. 연구 결과, 동일한 철-닉토겐 초전도체에 원자 도핑 시 24K였던 임계온도가 표면전자 도핑으로 41.5K까지 높아졌고, 네스팅 조건이 나빠도 높은 초전도 임계온도가 관찰됐다.

이로써 네스팅이 실제 초전도 임계온도 상승에 큰 영향을 미치지 않음을 최초로 증명했다. 연구진은 이번 성과가 향후 닉토겐 및 칼코겐 초전도체의 통일 이론 마련을 위한 초석이 될 것으로 내다봤다.

▲ 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.

대외협력실 김한섭