▲ 이미지 출처: J. Adam Fenster / University of Rochester

초전도는 전하가 저항없이 물질을 통과하는 현상이다. 이것은 특정 물질(초전도체)이 매우 낮은 온도로 유지되어 전기 저항이 사라지고 물질 내부에서 자속장이 방출될 때 발생한다.

초전도는 핵 스핀 단층 촬영을 위한 입자 가속기 또는 자기 코일과 같은 일부 틈새 영역에서 이미 사용되고 있다. 그러나 고온에서 이 효과를 달성하기가 극도로 어렵기 때문에 더 많은 주류 응용 분야에서 사용이 금지되었다.

20세기 초 초전도는 절대 영도(-273°C)보다 약간 높은 온도에서 몇 개의 금속에서만 알려졌다. 그런 다음 1933년 두 명의 독일 과학자에 의한 획기적인 발전으로 마이스너 효과가 발견되었다. 모든 초전도체에 내재된 이 특성은 아래 비디오에서 볼 수 있듯이 재료가 액체 질소에 의해 -203 °C (-334 °F)로 냉각되고 자석이 부상할 때 발생한다.

1980년대 후반에 두 명의 IBM 연구원이 35K(-238°C 또는 –397°F) 이상의 초 전도율을 갖는 세라믹 재료를 발견했다. 이는 이전 임계 온도에 비해 상당히 증가한 수치이다. 칼 뮐러와 게오르그 베드노르츠는 그들의 연구로 노벨 물리학상을 받았다. 1990년대에 세라믹에 대한 추가 발전은 임계 온도가 150K (-123°C 또는 –190°F) 이상에 도달하면서 훨씬 더 큰 점프를 가져왔다.

그 이후로 다양한 다른 재료가 점진적으로 개선되었다. 그러나 이러한 모든 노력에는 지구 외 핵의 조건에 필적하는 엄청나게 높은 압력이 필요했다.

실내 온도 초전도성은 오랫동안 응축물 물리학의 "성배"로 여겨져 왔다. 완성되고 확장되면 모든 종류의 미래 기술로 이어질 수 있다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 이 이정표에 점점 더 가까이 다가가고 있다.

녹색 원 = 저온 금속 BCS • 연한 녹색 별 = 무거운 페르미온 기반 • 블루 다이아몬드 = 도자기/컵 레이트 보라색 역 삼각형 = Buckminsterfullerene 기반 • 빨간색 삼각형 = 탄소 합금 • 노란색 사각형 = 철 기반 PJRay, CC BY-SA 4.0에서 수정되었음.

이번 주 라스베가스 네바다대학(UNLV)과 뉴욕 로체스터대학의 팀은 288K(15°C 또는 59°F)에서 초전도성을 갖는 화합물을 발견했다고 발표했다. "실온"에 대한 정의는 논쟁의 여지가 있다. 그러나 어떤 경우에도 이 새로운 임계 온도 기록은 0보다 훨씬 높고 인간이 경험하는 정상적인 일상 온도 범위 내에 있다. 

연구자들은 이전에 288K(-13°C 또는 8°F)에서 수소와 란탄의 화합물에서 초전도성을 달성했다. 이 새로운 연구에서 효과는 탄소, 황 및 수소의 두 가지가 아닌 세 가지 요소를 처음으로 결합하여 나타났다. 연구팀은 레이저 광으로 반응을 유발하는 다이아몬드 앤빌셀이라고하는 초 고압 장치를 사용하여 269기가파스칼(GPa) 또는 평방 인치당 3900만 파운드의 탄소질황 수소화물을 합성했다. 비교를 위해 지구의 내부 코어 압력은 330-360 GPa로 추정되는 반면 외부 코어는 135-330 GPa이다.

여기에 설명된 분쇄력은 거의 상상할 수 없지만, 이 화합물은 이전 기록에 비해 28°C(50°F) 개선되었으며, 첫 번째는 초전도 단계에 들어가기 위해 영하의 냉각이 필요하지 않은 것이다. 이를 통해 과학자들은 더 높은 온도에서 벗어나 관련된 엄청난 압력을 줄이기위한 노력으로 초점을 전환할 수 있다.

이미지 출처: Dias lab

"혁명적인 게임 체인저"라고 고압 하에서 재료의 근본적인 실험, 계산 및 엔지니어링 문제를 탐구하는 새로운 그룹인 Nevada Extreme Conditions Lab을 이끌고 있는 UNLV의 물리학 조교수인 Ashkan Salamat는 말했다. "이 발견은 새로운 것이며 기술은 초기 단계에 있으며 미래의 비전이지만 가능성은 무한하다. 이것은 에너지 그리드를 혁신하고 전자적으로 구동되는 모든 장치를 바꿀 수 있다."

압력을 줄이는 것 외에도 또 다른 문제는 재료를 더 큰 부피로 확장하는 것이다.이 새로운 연구의 화합물에는 잉크젯 입자 크기의 샘플이 포함되었다. 그러나 초수소화물에 세 번째 원소를 추가하면 미래의 테스트와 실험에서 가능한 재료 조합이 크게 확장되었다고 Salamat는 말한다. 그는 "우리는 탐험의 완전히 새로운 영역을 열었다"고 믿는다.

Salamat와 그의 동료인 로체스터대학의 물리학자인 Ranga Dias는 새로운 회사 인 Unearthly Materials를 설립하여 혁신을 위한 지속적인 작업을 지원하고 대규모 및 주변 압력에서 생산할 수 있는 실온 초전도체에 대한 경로를 찾는다.

궁극적으로 이러한 물질은 실험실에서 일상 생활로 옮겨져 사회의 여러 측면에 혁명을 일으킬 수 있다. 아마도 언젠가는 멀지 않은 미래에 상온 초전도체가 공중을 통해 새롭고 미래적인 형태의 운송을 추진하는 데 사용될 것이다. 또는 전력망에 배치하여 무손실 전송을 가능하게 하여 현재 전선의 저항으로 인해 발생하는 15%의 전기 손실을 방지할 수 있다. 의료 이미징 및 스캔이 크게 개선됨에 따라 더 빠르고 효율적인 전자 장치가 나타날 수 있다. 다른 응용 분야에는 초강력 및 초소형 모터, 더 강력한 양자컴퓨터, 더 나은 융합 에너지 억제 및 덜 쉽게 분해되는 더 나은 에너지 저장이 포함될 수 있다. 목록은 계속된다.

"우리는 반도체 사회에 살고 있다."라고 Salamat는 설명한다. "이러한 종류의 기술을 사용하면 반도체 사회에서 초전도 사회로 사회를 전환할 수 있다. 다시는 배터리 같은 것이 필요하지 않는다."