초전도 해외기술정보
고온초전도기구에 전자스핀 관여
고성능 분석 장치로 계측
東北大學의 高橋隆 교수 등은 구리산화물 고온초전도체의 초전도 발현기구에 전자가 가진 자기적 성질인 ‘스핀’이 관여하고 있다는 것을 초고분해능 광전자 분광법을 이용하여 밝혀냈다.
발견된 지 20년 가까이 지난 구리산화물 고온초전도체는 초전도 와이어와 전자소자 등 폭넓은 산업응용이 진행되고 있으나, 그 기본인 ‘초전도가 어떠한 기구에서 일어나는가?’에 대해서는 아직 해명되지 않았다.
지금까지 초전도를 일으키는 힘으로써 크게 두 가지의 가능성이 제안되고, 그 두 가지 사이에서 큰 논쟁이 전개되어 왔다. 하나는 지금까지의 금속계 (저온) 초전도체를 잘 설명하는 BCS이론에서 채용되어 있는 격자진동(포논)이며, 다른 하나는 전자가 가진 자기적 특질인 전자스핀이다.
高橋교수 연구팀은 외부광전효과를 이용하여 고체 속의 전자를 물질 밖으로 끌어내어 그 성질을 조사할 수 있는 ‘광전자분광장치’의 고성능화를 실행, 세계최고의 분해능을 달성하여 초전도 전자 그 자체를 직접 관측하는데 성공했다. 고온초전도체의 초전도발현의 무대는 모든 고온초전도체에 공통하나는 결정 속의 CuO2면이라는 것이 알려져 있다.
이 CuO2면의 구리원자(Cu)를 미량(1%정도)의 아연(Zn) 또는 니켈(Ni)로 치환한 결정을 작성, 그 초전도전자의 움직임을 초고분해능 광전자 분광장치를 이용하여 관측했다. 그 결과, Zn과 Ni의 첨가로 초전도 전이온도가 급속하게 하강함과 동시에 초전도전자간의 자기적 상관이 급격하게 약해진다는 것을 발견했다. Zn과 Ni의 원자질량은 Cu의 그것과 거의 다름없어 치환에 의해서는 결정의 격자진도(포논의 에너지)는 거의 영향을 받지 않는다. 한편, Cu가 갖는 스핀은 1/2로, Zn및 Ni은 각각 0 및 1의 스핀을 가져 CuO2면의 자기적 환경을 크게 바꿀 수 있다고 생각된다.
高橋교수 등의 이번 실험결과는 구리산화물 고온초전도체의 초전도 발현구기에는 지금까지의 BCS이론으로 가정되어 있었던 격자진동이 아니라 전자가 가진 스핀이 크게 관여하고 있다는 것을 나타내는 것이다.
앞으로 전자의 스핀을 고려한 물질탐색에 의해 보다 높은 초전도 전이온도를 갖는 초전도 물질이 발현될 가능성을 보여주는 것이다. (CJ)