연구원들이 고온 초전도 미스터리에 대한 단서를 찾았습니다.

초전도성은 고해상도 의료 스캔에 사용되는 강력한 자석 생성, 효율적인 전기 운송, 초고감도 측정 장치 구축 등을 포함하여 중요한 실용적인 응용 분야가 많습니다. 지금까지 과학자들은 고온에서 이 독특한 현상의 이면에 무엇이 숨어 있는지 정확히 이해하는 데 수십 년이 걸렸습니다.

그러나 브리스톨 대학의 물리학자들이 주도하고 이번 주 Nature Physics 저널에 게재된 선구적인 연구에서는 이러한 산화구리 고온 초전도체의 전자가 결합하여 에너지 손실 없이 전력을 전송하는 방법, 즉 무한 전기 전도의 ‘초전도’ 상태를 설명하는 중요한 메커니즘을 확인했습니다.

연구 공동 저자이자 브리스톨 대학교 물리학 교수인 Nigel Hussey는 다음과 같이 말했습니다. “초전도성은 오랫동안 유명한 물리학자들을 매료시켰고 수십 년 동안 노벨상을 수상한 다양한 돌파구를 가져온 놀랍고 거의 마술적인 현상입니다.

“그러나 더 높은 온도의 초전도성을 촉진하는 과정은 미스터리와 매혹의 원천으로 남아 있습니다. 네덜란드의 유럽 자기장 연구소에서 수행된 측정과 그에 따른 세심한 분석을 통해 우리는 방정식의 일부를 풀고 이 복잡한 상태의 원인을 설명하는 스모킹 건을 발견했습니다.”

기존의 저온 초전도체에서 전자가 초전도성을 겪는 메커니즘에는 물질의 결정 격자를 구성하는 이온의 진동이 포함됩니다. 수년 동안 과학자들은 이온 자체보다 더 높은 주파수에서 진동하는 실체를 포함하는 고온 초전도에 대한 새로운 메커니즘을 찾고 있었습니다. 전자는 팽이처럼 작은 자기장을 생성하는 스핀과 공간과 시간에 따라 변동할 수 있는 전류를 생성하는 전하를 모두 보유하고 있기 때문에 주요 후보였습니다.

비록 스핀과 전하 변동이 이러한 산화 구리 물질에서 매우 상세하게 매핑되었지만 브리스톨의 Stephen Hayden 교수와 그의 그룹의 노력 덕분에 전도 전자 사이의 상호 작용 강도와 T와 함께 이러한 변동을 연결하는 증거가 나타났습니다._기음 – 재료가 초전도 상태가 되는 임계 온도가 누락되었습니다. 그러나 기존 초전도체와 마찬가지로 이 정보는 물질의 저항에 암호화되어 있으며 저항 자체에서 이 정보를 잠금 해제하는 것이 관련 상호 작용을 식별하는 열쇠를 쥐고 있다고 믿어졌습니다.

그래서 브리스톨, 네덜란드, 중국, 미국의 국제 과학자 팀은 특별한 박막 구리산염 샘플(이 경우 란타늄 세륨 구리 산화물)을 만들고 이를 기판에 원자층별로 증착하여 T의 부드러운 구배를 만들었습니다._기음 – 전체 길이에 걸쳐 최대값에서 0까지.

연구원들은 리소그래피를 사용하여 필름을 따라 일련의 전기 접점을 패턴화하여 미세한 간격의 T 값의 함수로 저항을 측정할 수 있게 했습니다._기음 영화 전체의 무질서 수준을 동일하게 유지합니다. 온도, 자기장 강도 및 Tg에 따른 저항 변화를 추출하기 위해 고자장 시설에서 일련의 실험을 수행했습니다._기음.

프랑스 국립 과학 연구 센터의 박사후 과정 연구원이자 전 Hussey 교수의 박사 과정 학생인 연구 수석 실험자 Caitlin Duffy 박사는 다음과 같이 설명했습니다. “고자기장에서 얻은 데이터에 대한 몇 가지 분석적 트릭을 사용하여 우리는 변동하는 스핀을 산란시키는 것으로 이 물질의 지배적인 저항 소스를 식별할 수 있었습니다. 이 상호 작용의 강도와 T 사이의 상관 관계_기음 그런 다음 이 물질의 초전도성의 기원이 실제로 전도 전자와 스핀 변동 사이의 상호 작용이라는 것을 확인했습니다.”

이것은 그 자체로 큰 돌파구를 구성하지만, 모체 산화구리에서 초전도성을 유도하는 두 가지 방법이 있기 때문에 연구진은 초전도성 수수께끼의 절반만을 풀었습니다. 하나는 란탄을 세륨으로 대체하여 여기서 했던 것처럼 전자를 도입하는 것입니다. 다른 하나는 다른 화학적 치환을 통해 전자를 제거하거나 시스템에 소위 ‘정공’을 도입하는 것입니다.

“공교롭게도 T가 정말 높았어요._기음 값은 정공이 도핑된 면에서만 발견됩니다. 우리의 연구가 전자가 시스템에 도핑될 때 초전도성이 어떻게 나타나는지 정확히 지적했다면 T를 증가시키기 위해 다음과 같이 가정하고 싶을 것입니다._기음 홀 도핑 측면에서는 이러한 변동 스핀에 대한 결합 강도를 높이거나 더 높은 주파수에서 변동하도록 하면 됩니다.”라고 Hussey 교수는 덧붙였습니다.

“그러나 상황은 그렇게 간단하지 않습니다. 전자와 정공이 도핑된 큐프레이트는 동일한 천으로 만들어졌지만 서로 다른 패턴으로 함께 꿰매어졌습니다. 실제로 이러한 결과를 정공이 도핑된 대응물에 대한 이전의 고자기장 연구와 비교하면 더 높은 Tg를 담당하는 두 번째 누락된 성분이 있어야 함을 알 수 있습니다._기음 정공이 도핑된 쪽의 값입니다. 첫 번째 핵심 성분을 찾았다면 이제 두 번째 핵심 성분을 찾는 것이 과제입니다. 그래야만 이론가들이 고온 초전도성에 대한 전체 이야기를 전개할 수 있습니다. 내 생각에는 누구든지 그 탐구에 성공하는 사람은 틀림없이 미래의 노벨 물리학상 후보가 될 것입니다.”