실온 초전도성의 가능성이 있는 흑연

 

초전도성, 전기의 무저항적 이동

 

초전도 물질은 매우 흥미로운 과학의 한 분야입니다. 이 물질들은 전기를 전혀 저항하지 않고 통과시킬 수 있기 때문에, 전기를 사용하는 여러 기술에서 큰 혁신을 가져올 수 있습니다. 이는 마치 전기가 전선을 통해 전혀 장애 없이 흐른다고 상상해보면 이해가 될 것입니다. 하지만, 이러한 초전도성은 아주 낮은 온도에서만 나타나는데, 이는 대부분의 경우 매우 추운 절대영도 근처의 온도를 말합니다. 절대영도는 온도가 더 이상 내려갈 수 없는 가장 낮은 점으로, 섭씨로 약 마이너스 273도입니다. 그래서 과학자들은 보다 일상적인 온도에서도 초전도성을 가진 물질을 찾기 위해 노력하고 있습니다.

 

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흑연과 그래핀

 

이번 연구에서 관심을 가진 재료는 바로 흑연입니다. 흑연은 연필의 필기 부분에 사용되는 검은 색 재료로, 우리에게 매우 친숙한 물질입니다. 하지만 흑연에도 여러 종류가 있는데, 이 중에서 그래핀이라는 물질은 이미 많은 관심을 받고 있습니다. 그래핀은 흑연을 이루는 매우 얇은 단일 층으로, 많은 특별한 성질을 가지고 있습니다. 그런데 이번 연구에서는 그래핀이 아닌, 또 다른 형태의 흑연인 '고방향성 열분해 흑연(HOPG)'에 주목했습니다. 이 HOPG는 특별한 방법으로 만들어진 흑연으로, 그 구조가 일반 흑연과는 다릅니다. HOPG에서는 흑연의 작은 입자들이 아주 정교하게 배열되어 있어, 이로 인해 특별한 물리적 성질을 가지게 됩니다.

 

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고방향성 열분해 흑연의 구조

 

연구팀은 HOPG를 실험하기 위해 스카치 테이프를 사용했습니다. 이 방법은 실제로 그래핀을 만드는 데에도 사용되는 방법으로, 테이프로 흑연을 붙여서 떼어내면 매우 얇은 층이 분리됩니다. 이렇게 분리된 HOPG의 표면에는 주름이 생기는데, 연구팀은 바로 이 주름에서 초전도성이 발생한다고 봅니다.

 

 

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HOPG에서의 발견

 

초전도성은 전자들이 특별한 방식으로 짝을 이루는 현상입니다. 이를 '쿠퍼 쌍'이라고 합니다. 쿠퍼 쌍은 두 개의 전자가 서로 결합하여 마치 한 쌍처럼 행동하는 것을 말합니다. 초전도 물질에서는 이러한 쿠퍼 쌍이 특정한 낮은 온도, 즉 '임계 온도'에서 형성됩니다. 이번 연구에서는 이 임계 온도가 실온 정도, 즉 약 27도 정도라고 추정되고 있습니다. 이는 초전도 물질이 보통 필요로 하는 매우 낮은 온도보다 훨씬 높은 온도입니다.

 

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쿠퍼 쌍과 임계 온도

 

연구팀은 HOPG의 저항과 자기적 성질을 측정했습니다. 이러한 측정은 초전도성을 확인하는 데 중요한 방법 중 하나입니다. 일반적으로 초전도 물질은 특정 임계 온도에 도달하면 그 성질이 갑자기 변화하는데, 이러한 변화를 측정하는 것이 중요합니다. 연구팀은 HOPG가 초전도성을 보이는 것을 확인했지만, 물질의 비열을 측정하지는 않았습니다. 비열이란 물질이 온도 변화에 어떻게 반응하는지를 나타내는 물리적 성질입니다. 옥스퍼드 응용 초전도 연구센터의 수지 스펠러 교수는 초전도 물질의 비열 측정도 중요하다고 강조했습니다. 하지만, 이번 연구팀은 저항과 자기적 성질 측정만으로 초전도성을 확립했다고 밝혔습니다.

 

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초전도성의 의미

 

초전도 물질에 대한 연구는 매우 중요한 의미를 가집니다. 실온에서도 초전도성을 가진 물질을 찾을 수 있다면, 이는 우리 생활에 큰 변화를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 전기 손실 없이 전기를 전달할 수 있는 새로운 기술들이 개발될 수 있습니다. 이러한 기술은 에너지 효율을 크게 높이고, 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것입니다. 따라서 과학자들은 이 분야에서 계속해서 연구를 진행하고 있으며, 앞으로 더 많은 발전이 기대됩니다.

 

 

 

VIA : iflscience