전기저항이 제로가 되면 전력 손실이 전혀 없어 전압이 없는 상황에서 전기가 영구적으로 흐르게 된다. 전기를 통조림처럼 저장할 수도 있다. 그런 만큼 초고속 컴퓨터를 제작하는 데 있어 초전도체는 필수적인 소재다.
문제는 초전도현상이 극히 낮은 온도가 아니면 불가능하다는 것이다. 때문에 과학자들은 더 높은 온도에서 초전도가 되는 물질을 찾아내기 위한 경쟁을 벌이고 있었다. 그리고 최근 마침내 상온(15°C)에서 초전도가 되는 물질을 발견했다.
“상온 초전도체라는 벽 마침내 무너져”
15일 ‘사이언스 뉴스’는 과학자들이 마침내 상온에서 초전도현상이 가능한 최초의 상온 초전도체(room-temperature superconductor)를 찾아냈다고 보도했다.
지난 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes) 교수가 초전도현상을 발견한 후 109년 만의 일이다. 상온 초전도체를 발견한 곳은 미국 뉴욕에 소재한 로체스터 대학이다.
연구를 이끈 물리학자인 랭거 디아스(Ranga Dias) 교수는 ‘새로 발견한 초전도체가 15°C 이하에서 초전도현상이 가능하다고 말했다.
디아스 교수는 두 개의 다이아몬드 사이에 탄소와 수소, 유황을 삽입한 후 레이저로 지구 기압보다 약 260만 배 강한 압력을 가해 15°C에서 초전도현상을 유도하는데 성공할 수 있었다고 설명했다.
처음에는 스스로도 이 사실이 믿어지지 않았다고 말했다. 그러나 100여 년 동안 고대해온 상온 초전도체가 마침내 그 모습을 드러냈다며, 후속 연구를 통해 또 다른 초전도체와 함께 그에 따른 자기적 특성을 연구할 계획이라고 밝혔다.
상온 초전도체 개발은 산업적으로도 큰 의미를 지니고 있다. 향후 전기저항이 없는 전선을 개발할 경우 그동안 전기저항으로 소실됐던 막대한 양의 전기에너지를 보존할 수 있다.
그런 만큼 세계적으로 전기에너지 생산량을 대폭 줄여나갈 수 있다. MRI(자기공명영상장치)서부터 입자가속기, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 다른 첨단 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
논문은 14일 세계적인 국제 학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 제목은 ‘Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride’이다.
막대한 양의 전기 손실 줄일 수 있어
초전도현상이 발견된 때는 1911년이다.
당시 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스 교수는 수은의 전기저항 실험을 하다가 절대온도(영하 273.15°C)에 가까운 영하 268.8℃에서 저항이 사라지는 것을 발견했다.
이후 실험 물리학자들은 더 높은 온도에서 초전도현상이 일어나는 물질을 찾아내기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 그리고 100여 년이 지난 최근 수 년 간 상온 초전도체에 접근한 획기적인 연구 결과들이 발표되고 있었다.
상온 초전도체를 목표로 한 최근 연구 결과들을 보면 강한 압력이 가해진 수소화합물에 초점을 맞추고 있다.
지난 2015년 12월 독일 막스플랑크 화학연구소의 물리학자 미하일 에레메츠(Mikhail Eremets) 연구팀은 황이 결합된 수소화합물에 강한 압력을 가해 영하 70°C에서 초전도현상을 유발하는 초전도체를 만들어냈다.
그리고 4년이 지난 2019년 5월 독일 막스플랑크 화학연구소의 미하일 에레메츠 연구팀을 포함한 두 그룹은 란타넘(lanthanum)이 결합된 수소화합물에 강한 압력을 가해 각각 영하 23°C와 영하 13°C에서 초전도현상을 유발하는데 성공했다.
기존에 가장 높은 온도에서 초전도 현상을 보인 고온 초전도체가 영하 135°C에서 가능했던 점을 감안하면 상온 초전도에 근접한 획기적인 연구 결과였다. 그리고 1년여 만에 디아스 교수 연구팀이 상온(15°C) 초전도체를 찾아냈다.
뉴욕 소재 버펄로 대학의 이론화학자 에바 주렉(Eva Zurek) 교수는 “최근 수 년 간 연구 성과에 비추어 상온 초전도체 개발은 예고된 것이었다.”고 말했다.
아울러 주렉 교수는 “고대해왔던 상온 초전도체를 찾아낼 수 있을지에 대해서는 확신을 갖지 못하고 있었으나 디아스 교수 연구팀을 통해 그 꿈이 실현됐다.”며, “마침내 상온 초전도체라는 벽이 깨어졌다.”고 기뻐했다.
앞으로 상온 초전도체가 상용화를 위해 넘어야 할 과제들이 산적해 있다.
아르곤 국립연구소의 마무리 소마야줄루(Maddury Somayazulu) 박사는 “상온에 도달했지만 앞으로 압력을 줄여나가는 일이 필요하다.”며, 상온 초전도체를 향한 과학자들의 후속 연구에 기대감을 표명했다.