LK99 이후, 상온 초전도체 위한 도전

현재 초전도체를 만들기 위한 어려운 과정 

 

LK-99라는 이름의 보라색 결정체가 세계를 변화시킬 것으로 기대되었던 흥분의 물결은 이제 초전도체가 아니라는 연구 결과로 인해 사그라들었습니다. 그러나 질문 하나가 남아 있습니다. 진정한 상온 초전도체가 혁명적일까요?

답은 응용 분야와 가상의 물질이 다른 중요한 특성을 가지고 있는지에 따라 다릅니다. 그러나 특히 강력한 자기장을 사용하는 일부 과학 분야에서는 더 나은 초전도체가 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.
초전도체는 특정 온도에서 전기 전류를 저항 없이 운반하기 시작하는 물질로, 따라서 낭비 열을 생성하지 않습니다. 그러나 모든 확인된 초전도체는 저온에서 또는 극한 압력 하에서만 이 특성을 나타냅니다. 일부 과학자들은 초전도가 상온 및 주변 압력에서 정상적으로 발생하는 물질을 찾고 있습니다. 오늘날의 초전도체의 저온 요구 사항은 일상 응용 분야에서 그들의 사용을 심각하게 제한하지만, 이러한 물질들은 실험실에서 흔하게 사용되며 연구자들은 온도를 낮추기 위한 다양한 기술을 사용할 수 있습니다. 이것은 가능하지만 실험에 비용과 복잡성을 추가하는 경우가 많습니다.

대표적인 예는 CERN 근처의 스위스 제네바에 위치한 유럽 입자 물리 연구소의 가속기인 대형 강입 충돌기(LHC)입니다. LHC에서 양성자을 27킬로미터 원에서 움직이려면, LHC는 액체 헬륨을 사용하여 1.9 켈빈(-271.25 ºC)의 온도를 유지하며 초전도 코일로 강력한 자기장을 생성합니다. 이렇게 하기 위해서는 세계에서 가장 큰 액체 헬륨 용량인 96톤을 담고 있는 Cryogenic system(극저온계 시스템)이 필요합니다. CERN의 자기 연구자인 핵공학자 Luca Bottura는 "만약 극단적인 온도가 필요하지 않다면 엔지니어링이 간소화될 것"이라고 말합니다.
따라서 상온에서 작동하는 초전도체는 많은 과학 분야에 혁명을 일으킬 것으로 기대됩니다, 

양자 문제

 

양자 컴퓨터를 생각해 보죠. 일부 작업을 수행하는데 고전 컴퓨터로는 불가능한 기술을 약속하는 미래의 기술입니다. 양자 컴퓨터를 구축하는 주요 접근법 중 하나는 초전도 물질의 고리(루프)와 같이에 정보를 저장하는 것입니다. 이러한 루프는 비용이 많이 들며 러시아 인형(마트료시카)과 같은 장치 내에서 거의 절대 영도인(-273.15 ºC)로 냉각됩니다.

초전도체 기반 양자 컴퓨터에서는 온도가 조금만 상승해도 성능이 급격히 저하됩니다. 이는 초전도와 아무런 관련이 없는 이유로 발생합니다. 양자 계산은 어떤 종류의 소음에도 매우 민감하며, 열 진동은 주요 적이 되는 '준 입자' 

를 생성합니다. 

 

*. 준입자란 : 고체나 액체와 같은 물질은 구성 입자간의 거리가 가까워 상호작용이 강한데, 양자 역학이 적용되는 조건에서는 구성 입자들이 뭉쳐지는 독특한 집단 현상이 일어납니다.

 

일본 와코의 RIKEN 연구소의 물리학자인 초전도 양자 컴퓨팅 공동 발명자인 Yasunobu Nakamura는 "약 100-150 밀리켈빈 근처에서 이미 열로 인한 준입자의 적대적인 효과가 나타납니다"라고 말합니다.

다른 경우에는 실험 자체가 극한 춥지 않아도 초전도체는 여전히 초전도 전이 온도, 즉 Tc 아래의 온도에서 유지되어야 할 수 있습니다. 초전도체는 물리적 특성에 따라 다르며, 많은 응용 분야에서 고유의 물리적 특성인 임계 전류 및 자기장이 중요합니다. 초전도는 온도가 상승할 때뿐만 아니라 물질이 일정량 이상의 전류를 운반하도록 밀어 넣거나 높은 자기장에 노출될 때도 상실됩니다. 중요한 것은 임계 전기장와  전류가 온도에 따라 변화한다는 점입니다.

 

온도가 낮을수록 물질이 견딜 수 있는 전류와 자기장이 더 높아집니다. 따라서 초전도체가 높은 Tc를 가지고 있다고 해도 Tc 아래의 모든 온도에서 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 많은 응용 분야에서는 더 춥다면 초전도체의 성능이 향상됩니다.

다행히 지금까지 발견된 최고의 초전도체, 특히 CuO(또는 cuprate) 초전도체라 불리는 물질로 충분히 낮은 온도에서도 매우 높은 자기장을 견딜 수 있습니다

4년전 미국 플로리다주 탤러하시의 미국 국립 고전자기장실험실(NHMFL)에서 연속(펄스가 아님) 자기장 강도 기록을 얻기 위해 사용되었습니다. NHMFL의 초전도 코일은 액체 헬륨에서만 4.2 켈빈 이하에서 작동하기 때문에 45.5 테슬라의 자기장을 생성했습니다. NHMFL의 주 장학자인 물리학자 Laura Greene는 "Tc가 높아서 초전도체를 사용하는 것이 아니라 [임계 자기장]이 높아서 사용합니다"라고 말합니다.

프린스턴 플라즈마 물리학 실험실(PPPL)에 위치한 미국 다른 국립 실험실의 기계 및 전기 공학자인 Yuhu Zhai는 "고강 자기장을 원한다면 가능한 한 낮은 온도에서 이 작업을 실행하려고 합니다. 그것이 초전도의 진짜 힘이 나오는 곳입니다"라고 말합니다.

CERN은 LHC와 같은 막대한 루프로 초전도자들을 견딜 수 없을 정도로 필요한 자기장을 생성할 수 있는 고온 초전도체를 탐구하고 있습니다. 중국에서도 유사한 가속기 개발 계획 중인데, Circular Electron-Positron Collider라는 것이며 고온 초전도체를 사용할 예정입니다. 고에너지 물리 연구소의 웡이팡은 "우리는 상온 초전도체 물질을 오랫동안 고려해왔으며, 주로 cuprate와 철기반 초전도체를 고려해왔습니다"라고 말합니다.

 

임계 전류

 

그러나 CuO 기반 초전도체에는 기타 단점이 있습니다. 이들은 비싼 세라믹 소재로, 케이블로 엔지니어링하는 데 비용이 많이 듭니다. 그들의 임계 전류 또한 아직 너무 낮다고 웡이팡은 말합니다. 구리 산화물의 반값이고 성능이 높을 수 있는 다른 초전도체 클래스가 원리적으로 더 나을 수 있습니다.

Bottura와 다른 연구자들은 완전히 새로운 종류의 가속기의 실현 가능성을 연구 중입니다. 양성자 대신 전자와 유사하지만 질량이 전자의 207배인 뮤온으로 대체함으로써, 가속기는 100km 직경의 양성자-양성자 가속기와 동일한 유형의 물리학을 연구할 수 있지만, 기존 LHC 터널에 맞출 수 있는 훨씬 작은 고리에서 이를 수행할 수 있습니다. 뮤온을 원형으로 만들려면 특히 강한 자기장이 필요하지 않습니다. 그러나 문제는 정확한 특성을 가진 뮤온 빔을 생산하는 것이 최대 40테슬라의 자기장이 필요할 수 있다는 것입니다.
Bottura는 "40테슬라에서는 더 이상 초전도체가 문제가 아닙니다. 코일을 그 자리에 유지하는 것이 문제입니다"라고 말합니다. 전자기 코일 내부의 전류는 자석을 밀어냅니다. 40테슬라에서는 가장 강한 강철조차도 기계적인 스트레스에 견딜 수 없을 것입니다. 대신 자석은 탄소 섬유와 같은 더 강한 재료를 사용하여 통제될 수 있을 것입니다. (NHMFL 자석은 몇 센티미터만 넓은 공간에서 높은 자기장을 생성해야 하기 때문에 강도 요구 사항은 그다지 엄격하지 않습니다.)
따라서 양성자 및 뮤온 가속기 양쪽 모두 최근에 발견된 것보다 훨씬 뛰어난 성능을 가진 초전도체가 큰 차이를 만들 수 있지만, 다른 엔지니어링 도전 과제가 발생할 것입니다.

 

복합으로의 여정

구조적 강도는 이미 다른 종류의 기계, 즉 핵융합 에너지를 활용하려는 기계들에 심각한 제한을 가하고 있습니다. 핵융합 에너지를 추출하기 위해 플라즈마를 도넛 모양인 tokamak 안에 가두는 장치로 오랫동안 알려진 접근 방식이 있습니다. 세계 최대의 실험용 tokamak중 하나인 ITER는 거의 12테슬라의 자기장을 생성하기 위해 대량의 액체 헬륨 냉각 자석을 사용합니다.

그러나 산업 및 공공 자금 지원 실험실 양쪽에서는 고온 초전도체를 기반으로 한 tokamak 자석을 설계하기 위해 밀고 있습니다. 더 높은 자기장은 원칙적으로 핵융합 반응기가 연료를 연소하는 속도를 급격히 높일 수 있으며, 이로써 생산될 수 있는 에너지를 증가시킬 수 있습니다. 원래 계획대로 에너지를 추출하기 위한 많은 결정적인 단계가 아직 증명되지 않았지만, 고Tc 자기 물질을 증가시키기 위한 산업적 노력의 긍정적인 결과 중 하나는 그들의 비용이 하락한 것입니다. 

게다가 tokamak은 최종적으로 액체 헬륨 냉각을 포기할 예정이라고 Zhai는 말합니다. 냉각 시스템을 구축하는 것은 복잡하기 때문뿐만 아니라 헬륨은 고갈되는 자원이며, 헬륨을 사용하는 수백 개의 ITER 크기 반응기를 구축하는 것은 불가능할 것입니다.
더 나은 초전도체 물질을 찾는 것은 높은 위험을 수반하는 작업이라고 Greene는 말하며, 지금까지 성공은 드물고 희소한 일입니다. 그녀는 또한 "이것은 어려운 일이고 흥미로운 일이며 세상을 바꾸고 있습니다"라고 덧붙입니다.