Why is Superconductivity absent in bulk Infinite-layer Nickelates?

수십 년 동안 물리학자들은 특정한 종류의 전기적 마법을 쫓아왔습니다. 그것은 바로 물질을 통해 전기가 저항이 전혀 없이 흐를 수 있는 능력입니다. 초전도성이라고 알려진 이 현상은 보통 절대 영도에 거의 근접할 정도로 매우 차가운 온도로 물질을 냉각해야만 나타납니다. 구리를 포함하고 있는 구리 산화물(cuprates)이라는 계열의 물질들은 이 규칙을 깨고 훨씬 더 높고 관리 가능한 온도에서 초전도체가 됨으로써 이 규칙을 무너뜨렸습니다. 이 발견은 다른 물질 계열을 찾아내어 초전도 현상을 일으키려는 수십 년간의 탐색에 불을 지폈으며, 그들을 이해함으로써 고온 초전도성의 비밀스러운 메커니즘을 밝혀내기를 희망했습니다. 유망한 후보 중 하나는 구리 기반의 구리 산화물과 구조적으로 유사한 니켈을 포함하는 니켈레이트(nickelates)라는 형태로 등장했습니다. 과학자들이 이 니켈레이트의 박막을 만들고 특정 원소로 도핑했을 때, 그들은 초전도 현상을 관찰하는 데 성공했습니다. 그러나 기묘한 모순이 발생했습니다. 다른 연구팀들이 이와 똑같은 물질을 박막이 아닌 커다란 덩어리 형태인 벌크(bulk) 샘플로 만들려고 했을 때, 초전도성은 완전히 사라져 버린 것입니다.

이 미스터리는 연구팀으로 하여금 왜 벌크 샘플은 실패하고 박막은 성공했는지 조사하게 만들었습니다. 그들은 그 차이가 박막이 놓여 있는 기판이나 계면 때문이 아니라, 벌크 합성 과정에서 본질적으로 발생하는 미세한 결함 때문이라고 제안했습니다. 자기 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션의 조합을 통해, 연구팀은 벌크 샘플 내에 주된 물질과 함께 형성되는 순수 니켈 금속의 미세한 섬들이 존재한다는 것을 발견했습니다. 순수 니켈은 자성을 띠기 때문에, 이 작은 섬들은 샘플 전체에 흩어져 있는 미세한 자석처럼 작용합니다. 연구진은 이 클러스터들이 생성하는 자기장이 초전도성에 필요한 섬세한 상태를 방해할 만큼 강력하여, 현상이 시작되기도 전에 효과적으로 초전도성을 죽여버린다는 것을 계산해 냈습니다.

조사는 박막이 성장하는 표면의 역할에 대한 오랜 논쟁을 다루는 것으로 시작되었습니다. 일부 과학자들은 박막에서의 초전도성이 계면 현상, 즉 물질이 기판과 맞닿는 곳에서만 일어나는 현상이라고 주장해 왔습니다. 그러나 저자들은 자기장 배출을 측정하는 실험을 통해 기판이 초전도 메커니즘에 직접적으로 참여하지 않는다는 점을 확인했습니다. 대신, 초점은 물질 자체의 내부 품질으로 옮겨졌습니다. 벌크 형태의 니켈레이트 샘플은 특정 영역에서 니켈 원자가 부족하다는 보고가 이미 있었으며, 사라진 니켈 원자들이 단순히 없어지는 것이 아니라 서로 뭉쳐서 주된 결정립 사이에 갇힌 몇 마이크로미터 크기의 뚜렷한 클러스터를 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다.

이 클러스터들의 영향을 이해하기 위해, 연구진은 니켈이 자성 금속이므로 이들을 작은 강자성체로 취급했습니다. 그들은 이 클러스터들의 크기를 반경 약 1마이크로미터로 추정하고, 이들이 생성할 자기장을 계산했습니다. 이 자기장의 거동을 설명하기 위해 두 가지 서로 다른 물리 모델을 사용한 결과, 클러스터로부터 10마이크로미터 떨어진 거리에서도 자기장은 밀리테슬라(milliteslas) 범위의 값에 도달할 정도로 강력하게 유지된다는 것을 발견했습니다. 이는 이 물질들의 초전도성이 붕괴되는 임계값이 단 0.79 밀리테슬라로 보고될 만큼 매우 낮다는 점에서 매우 중요한 발견입니다. 니켈 클러스터들에 의해 생성된 자기장은 이 한계치보다 수십 배 더 강력하며, 이는 만약 이러한 클러스터들이 존재한다면 초전도성에 적대적인 자기 환경을 조성하여 물질이 결코 그 상태에 진입하지 못하게 만든다는 것을 의미합니다.

병행된 조사에서, 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 니켈 원자의 부재가 물질의 전자 구조에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 그들은 니켈 결핍 정도가 다른 모델들을 구축하였고, 니켈이 부족한 영역이 초전도 현상이 일어나는 에너지 준위에서 특정 전자 궤도, 즉 Ni 3dx2−y2 궤도의 중요성을 감소시킨다는 것을 발견했습니다. 이 궤도는 이 물질들의 초전도 거동에 필수적인 것으로 간주됩니다. 니켈이 부족한 영역으로 인해 이 궤도의 영향력이 약해지면, 물질은 초전도 현상이 일어나기 위해 필요한 핵심 요소를 잃게 됩니다. 이는 설령 자기 클러스터들이 제거된다 하더라도, 벌크 샘플의 화학적 결함이 여전히 초전도 상태의 형성을 방해할 것임을 시사합니다.

저자들은 무한층 니켈레이트(infinite-layer nickelates)에서 초전도성이 나타나지 않는 이유가 이 두 가지 요인의 결합 때문일 가능성이 높다고 결론지었습니다. 니켈 결핍 영역이 초전도성에 해로운 방식으로 전자적 환경을 변화시키는 동시에, 클러스터로 모인 니켈 원자들이 초전도 상태를 완전히 파괴할 만큼 강력한 자기장을 생성한다는 것입니다. 이러한 결함은 현재 벌크 샘플을 합성하는 데 사용되는 화학적 방법의 특수한 결과로 보입니다. 연구진은 만약 향후 합성 방법이 이러한 니켈 클러스터를 제거하고 니켈 결핍을 교정할 수 있다면, 벌크 니켈레이트 샘플에서도 초전도 현상을 관찰하는 것이 가능할 것이며, 이를 통해 왜 두꺼운 샘플은 침묵하고 박막은 노래하는지에 대한 미스터리를 마침내 해결할 수 있을 것이라고 제안했습니다.