철계 초전도체의 네마틱 상태의 원인 밝혀내

 초전도는 일정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 ‘0’이 되는 현상으로, 전력 효율을 높이는데 활용되기도 하지만, KTX와 같은 자기부상 열차나 병원에서 촬영하는 MRI 등 고자기장을 필요로 하는 기술에도 활용된다. 이와 같은 초전도 현상을 일으키는 물질이 발견된 뒤 100여년 간 다양한 물질이 발견됐고, 지난 2009년에는 철(Fe)계 초전도체가 발견되기도 했다. 바로 이 새로운 철계 초전도체 물질에 대한 비밀을 풀 열쇠가 한국과 독일 공동연구팀에 의해 발견됐다.

 독일 드레스덴 라이프니츠연구소(IFW-Dresden) 백승호 박사, POSTECH(포항공과대학교) 물리학과 김준성 교수․통합과정 옥종목씨 연구팀은 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 최신호를 통해 철계 초전도체인FeSe의 독특한 초전도 현상에 관한 연구를 발표했다.

 철계 초전도체는 다른 초전도체와는 달리 분자가 자기적으로 정렬된 상태와 네마틱 상태 등 서로 다른 2개의 정렬상태에서 초전도현상을 보인다. 초전도체의 활용을 위해서는 초전도 현상이 언제 일어나는가를 이해하는 것이 특히 중요한데, 네마틱 상태에서 초전도 현상이 일어나는 원인에 대해서는 알려진 바가 없다.

 네마틱 상태는 우리가 흔히 사용하는 LCD 등의 액정필름을 300배 확대해 찍으면 눈으로도 볼 수 있는 독특한 현상으로, 액정 속 분자가 불규칙하게 퍼져 있지만 모두 일정한 방향을 향하고 있는 것을 말한다.

 연구팀은 핵자기공명(NMR)을 통해 네마틱 상태가 일어나는 온도가 초전도 상태가 나타나는 온도보다 훨씬 높다는 것과 이러한 현상이 철계 초전도체가 오비탈(Orbital)*1의 자유도, 즉 전자의 분포도에 의한 것이라는 사실을 밝혀냈다. 특히 지금까지는 이러한 현상이 주로 전자의 스핀에 의한 것으로 알려져 있었다.

 이번 연구는 특히 철계 초전도체에서 네마틱 상태를 일으키는 원인은 물론, 이런 현상이 초전도현상에 어떤 영향을 미치는가에 대한 중요한 단서를 제공했다는 점에서 의의를 가지고 있다.

 한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 한국-POSTECH 막스플랑크 연구소, 기초과학연구원 등의 지원을 받아 수행됐다. 

1. 오비탈(Orbital)

원자, 분자, 결정 속의 전자나 원자핵 속의 핵자 등의 양자역학적 분포상태를 말한다.