| [미국] 자기에서 발생하는 고온 초전도체
SLAC 국립 가속기 연구소와 스탠포드 대학의 연구진이 프닉타이드 철(iron pnictide)의 자기에서 나오는 고온 초전도를 처음으로 보여주었다. 이는 100%의 효율성으로 전기를 전도하는 장비를 만드는데 있어서 큰 잠재력을 가진 물질로 새로운 가능성을 제시한 결과이다.
SLAC 스탠포드 싱크로트론 방사 광원(SSRL) 실험에서, 연구진은 그것의 초전도 능력을 향상시키기 위하여, 전자를 추가하거나 뺌으로써, 고온 초전도체로 알려진 두 종류 중 하나에 이 물질을 “도핑”하였다. 그러고서, 그들은 이 물질을 초전도가 가능한 온도로 냉각하면서, 이 물질의 전기 속성에 변화가 있는지를 측정하기 위하여 자외방사 빔을 사용하였다.
연구진은 두 상태가 어떻게 진행되는지를 관찰하였다. 처음에, 물질 내의 전자는 특정 방향을 지향하는 그들의 스핀 방향으로 정렬하였다. 이는 자기의 특징이기도 한다. 그러나 온도가 떨어질수록, 몇몇 전자가 수월하게 전기를 전도하기 위하여, 파티장의 무용수처럼 짝을 짓기 시작했다. 그리고 모든 활성 전자가 그들의 짝을 찾으면, 이 물질은 완전한 초전도가 되어, 훨씬 더 복잡한 행동을 보인다.
4월 25일자 Nature Communications에 발표된 결과에서, 연구진은 고온 초전도체가 어떻게 작동하는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공했다. 이는 과학자들로 하여금, 다양한 실제적 응용을 위해 유용한 많은 속성을 가진 초전도체를 상온에 가까운 온도에서 작동할 수 있도록 조정하고, 연구하도록 많은 도움을 줄 것이다.
“자기와 초전도가 잠시 동안 공존한다는 것은 그리 놀라운 일이 아니다. 그러나 우리가 보고자 하는 것은 이러한 두 상태가 서로 어떻게 상호 작용하는지이다. 현재 우리는 마침내 이러한 변화를 미세한 수준에서 관찰하는데 필요한 고해상도 도구를 가질 수 있었으며, 이를 이용하여, 자기 순서에 참여하는 같은 전자가 초전도 순서에 참여하기 위해 전환하는 과정을 관찰할 수 있었다. 이러한 두 순서는 같은 전자에서 다투게 된다”고 스탠포드 대학 재료 및 에너지 과학(SIMES) 연구 센터의 대학원생인 Ming Yi가 말했다.
시뮬레이션 결과와 그들의 실험 데이터를 비교함으로써, 연구진은 프닉타이드 철의 초전도와 자기가 매우 미세한 수준에서 매우 잘 뒤섞여 있는 것을 알 수 있었다. 이 시뮬레이션은 로렌스 버클리 연구소의 이론학자인 Lex Kemper와 스탠포드 대학원생인 Nachum Plonka, 그리고 SIMES 이사인 Thomas Devereaux가 시행한 것이다. “이것은 단순한 요소가 복잡한 행동을 일으킬 수 있음을 보여주는 아주 좋은 예이다.
출현(Emergence)은 자연의 원리를 정리하는 현대 연구의 주요 소재이기도 하다. 우리의 희망은 이와 같이 매우 단순한 모델 시스템을 이용한 양자 시스템 연구가 마침내는 우리에게 원리를 체계화시킬 수 있는 통찰력을 주기를 바라는 것”이라고 SLAC와 스탠포드 과학 및 기술부서의 교수이자, 이 논문의 공동 저자인 Zhi-Xun Shen이 말했다.
1986년에 발견된 고온 초전도체는 일반적인 초전도체보다도 높은 온도에서 전기의 손실없이 전기를 전송하지만 적어도 캘빈 30(섭씨 영하 243도)까지 냉각되어야 한다. 과학자들은 아직 섭씨 영하 138도 이상의 온도에서 작동하는 고온 초전도체를 개발하지 못했다.
이러한 물질이 장거리의 전력선으로 자기부상 열차를 작동하는 것과 같은 다양한 응용에서 비용과 그 에너지를 절약할 수 있는 잠재력이 있지만, 그것들을 낮은 온도로 유지해야 하는 높은 비용과 더불어, 다루기 힘든 속성은 발전을 더디게 만들었다. 보통의 초전도에서, 고온 초전체 내의 전자는 전류를 전도하기 위하여 쌍을 형성한다. 그러나 이러한 고온 물질의 결합에 숨겨진 메커니즘(전자쌍을 뭉치게 하는 “접착제”)은 아직 알려져있지 않다고 SSRL의 연구원이자, 이 연구에 참여하고 있는 Donghui Lu가 말했다.
이론적으로, 초전도와 자기는 공존하지 않는다. 하나의 존재는 다른 하나를 밀어낸다. 그러나 이전의 연구들은 그것들이 사실 같은 물질 내에서 존재할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 과학자들은 이러한 일이 왜, 그리고 어떻게 일어나는지를 알기 위해 노력하고 있다. 이 연구가 그러한 질문에 답을 주지는 못하지만, 초전도가 어떻게 발생하는지에 대한 세부 사항을 자세히 살펴볼 수 있는 기회를 제공한다.
이 결과는 또한 고온 초전도와 한 부류라고 알려진 구리 기반의 큐프레이트 연구에도 도움을 줄 것이라고 연구진은 밝혔다. 또한, 이들의 연구 결과는 틀에 얽매이지 않는 초전도체의 메커니즘을 궁극적으로 이해할 수 있는 기회를 제공할 것이다.
이 연구에는 SLAC 이외에도, SLAC/스탠포드 연구소의 공동 연구소인 SIMES, 스탠포드 대학, 로렌스 버클리 국립 연구소, 난징 대학, 그리고 버클리 캘리포니아 주립대학 등이 참여하였다. 일부 측정은 버클리 연구소의 첨단 광원에서 수행되었다. 이 연구는 미국 에너지부 산하 과학 에너지 연구소의 지원을 받았다.
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 5월 2일]
[원문보기]
Scientists watch high-temperature superconductivity emerge out of magnetism
In experiments at SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), the team "doped" the material – one of two known types of high-temperature superconductor – by adding or subtracting electrons to enhance its superconducting abilities. Then they used a beam of ultraviolet light to measure changes in the material's electronic behavior as it was chilled to a temperature where superconductivity becomes possible.
The researchers saw the two states battle for dominance: At first the electrons in the material all lined up with their spins pointed in specific directions, a hallmark of magnetism. But as the temperature dropped, a few electrons paired up, like dancers at a party, to effortlessly conduct electricity; then a few more; until finally all the active electrons found partners and the material was fully superconducting, a much more complex behavior.
The results, published April 25 in Nature Communications, are an important step toward understanding how high-temperature superconductors work – information scientists need to realize their dream of engineering superconductors with more useful properties that operate at close to room temperature for a variety of practical applications.
Complexity Emerges from Simple Ingredients
"For a while both magnetism and superconductivity co-exist; that's not a surprise," said Ming Yi, a graduate student with the Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) and lead author of the report. "But we wanted to see how just these two phases interact with each other. Now we finally have the high-resolution tools we need to see these changes at a microscopic level, and we find that the same electrons that were participating in the magnetic order have switched over to participate in the superconducting order. These two orders compete for the same electrons.''
Comparing their experimental data to the results of simulations, the researchers determined that the magnetism and superconductivity in iron pnictide were interwoven at a very fine, microscopic level, rather than occupying larger, separate puddles within the material. The simulations were led by theorists Lex Kemper of Lawrence Berkeley National Laboratory, Stanford graduate student Nachum Plonka and SIMES Director Thomas Devereaux.
"This is a beautiful example of 'emergence,' in which simple ingredients give rise to complex behavior," said co-author Zhi-Xun Shen, a professor at SLAC and Stanford and SLAC's advisor for science and technology. "Emergence is a major theme of modern research on organizing principles of nature," he said. "Our hope is that research on quantum systems like this one, which are very simple model systems, will eventually give us insights into such organizing principles."
Exploring a Mystery Material
Discovered in 1986, high-temperature superconductors carry electricity without any loss at much warmer temperatures than conventional superconductors, which have to be chilled to at least 30 kelvins (minus 243 degrees Celsius). Still, scientists have not been able to get high-temperature superconductors to operate above minus 138 degrees Celsius.
While these materials have the potential to save money and energy in a number of applications, from carrying electricity over long-distance power lines to operating maglev trains, the high cost and logistics of keeping them cold and their difficult-to-handle properties have held them back.
As in regular superconductors, electrons in high-temperature superconductors form pairs to conduct current. But the mechanism behind this pairing in the high-temperature materials – the "glue" that holds the electrons together – is still unknown, said Donghui Lu, a senior staff scientist at SSRL and one of the principal investigators for the study.
Another mystery: In theory, superconductivity and magnetism are not supposed to co-exist; the presence of one should drive out the other. But previous studies have shown they can in fact exist in the same material, and scientists have been eager to learn the details of how and why that happens.
While this study doesn't answer those burning questions, it does give scientists a closer look at the details of what happens as superconductivity emerges.
The results may also shed light on the other known family of high-temperature superconductors, the copper-based cuprates, the scientists wrote, and comparing results from the two may lead to "an eventual understanding of the mechanism of unconventional superconductivity."
In addition to SLAC and SIMES, which is a joint SLAC/Stanford institute, researchers from Stanford University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Nanjing University, and the University of California-Berkeley contributed to this work.
Some measurements were carried out at Berkeley Lab's Advanced Light Source. The work at Stanford, SLAC and the Advanced Light Source was funded by the U.S. Department of Energy Office of Science.
|
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
