Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

수십 년 동안 과학자들은 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있는 물질, 즉 초전도 현상이라 알려진 상태를 구현할 수 있는 재료를 찾아 헤매왔습니다. 이 현상은 잘 알려져 있지만, 보통 우주의 가장 깊은 곳에서나 발견될 법한 매우 낮은 온도를 필요로 하기 때문에 실질적인 활용이 매우 어렵습니다. 최근에는 수소와 다른 원소들이 결합하여 만들어진 화합물인 폴리하이드라이드(polyhydrides)라고 불리는 특정 물질군을 중심으로 연구가 격렬해지고 있습니다. 이론적으로 이 물질들은 독특한 가능성을 품고 있습니다. 만약 충분한 압력을 가해 압축한다면, 수소 원자들이 서로 매우 가까워지도록 강제되어 금속처럼 행동하기 시작하고, 결과적으로 이전보다 훨씬 더 따뜻한 온도에서도 전기가 자유롭게 흐를 수 있게 된다는 것입니다. 이러한 "사전 압축(pre-compression)" 개념은 엄청난 힘을 가함으로써 초전도 현상에 필요한 온도를 언젠가 현실 세계에서 유용하게 쓰일 수 있는 수준까지 낮출 수 있음을 시사합니다.

이러한 아이디어를 바탕으로, 연구진은 이제 텔루륨과 수소로 이루어진 화합물에서 초전도 현상을 발견함으로써 이 이야기에 새로운 장을 추가했습니다. 텔루륨은 주기율표의 오른쪽에 위치한 화학 원소로, 극한의 조건에서 수소와 결합하면 약 91 켈빈(섭씨 약 -182도)의 온도에서 저항 없이 전기를 전도하는 물질을 형성합니다. 이는 여전히 물의 어는점보다 훨씬 낮지만, 이 특정 유형의 물질에 있어서는 큰 진전이며, 텔루륨 기반의 수소 풍부 화합물에서 초전도 현상이 관찰된 첫 사례입니다.

이 물질을 만들기 위해 과학자들은 지구 핵 깊은 곳에서 발견되는 파괴적인 압력을 재현해야 했습니다. 그들은 두 개의 작은 다이아몬드가 평평한 끝부분을 서로 맞대어 샘플을 압착할 수 있는 다이아몬드 앤빌 셀(diamond anvil cell)이라는 장치를 사용했습니다. 이 미세한 챔버 안에 과학자들은 텔루륨 한 점과 수소의 공급원이자 압력을 전달하는 매체 역할을 하는 암모니아 보란(ammonia borane)을 넣었습니다. 그 후 강력한 레이저로 샘플을 약 2,000 켈빈의 온도로 가열하여 암모니아 보란을 분해했고, 여기서 방출된 수소 가스가 텔루륨과 반응하여 새로운 화합물을 형성하게 했습니다. 이 과정은 매우 섬세하고 어려웠는데, 물질을 벼리기 위해 필요한 강렬한 열기가 종종 다이아몬드 앤빌을 손상시켜 실험을 반복하거나 변화하는 압력 하에서 물질을 테스트하는 것을 어렵게 만들었기 때문입니다.

물질이 형성된 후, 연구진은 고압을 유지한 채 온도를 낮추면서 전기 저항을 측정했습니다. 그들은 온도가 떨어짐에 따라 샘플의 전기 저항이 급격히 감소하다가 결국 완전히 사라지는 것을 관찰했는데, 이는 물질이 초전도체가 되었다는 명확한 신호입니다. 연구진의 샘플 중 하나에서는 약 91 켈빈의 온도에서 이러한 제로 저항 상태가 나타났습니다. 이것이 정말 초전도 현상인지, 아니면 단순히 물질의 구조나 자성의 변화인지 확인하기 위해 그들은 자기장을 가했습니다. 그 결과, 자기장이 강해질수록 물질이 초전도 상태가 되는 온도가 낮아지는 것을 발견했는데, 이는 진정한 초전도체의 특징입니다. 이러한 자기장에 대한 민감성은 또한 샘缩 내의 초전도 영역들이 '약한 연결(weak links)'에 의해 연결되어 있음을 시사하며, 이는 수많은 미세 결정으로 이루어진 물질에서 흔히 나타나는 특징입니다.

그 후 연구팀은 물질 내부를 들여다보고 원자들이 어떻게 배열되어 있는지 보기 위해 대형 연구 시설의 강력한 X선 빔을 사용했습니다. 그들이 포착한 회절 패턴은 초전도 상(phase)이 하나의 텔루륨 원자가 네 개의 수소 원자와 결합한 TeH4라는 특정 화합물임을 보여주었습니다. 이 화합물의 구조는 매우 독특한데, 수소 원자들이 서로 면을 공유하는 케이지(cage) 형태를 띠며 벌집 모양과 유사한 격자를 형성하고 있습니다. 이 구조 내에서 수소 원자 쌍들은 마치 거대한 프레임워크 안에 갇힌 개별 분자처럼 서로 가깝게 자리 잡고 있습니다. 이러한 배열은 이 특정 모양이 높은 압력 하에서 안정적이며 초전도 현상을 일으킬 수 있다고 제안했던 다른 과학자들의 이론적 예측과 일치합니다.

이 발견은 텔루륨 폴리하이드라이드를 황 화합물(sulfur hydride)과 더불어 알려진 몇 안 되는 칼코겐 폴리하이드라이드 초전도체 반열에 올려놓았습니다. 연구진은 샘플의 취약성 때문에 압력을 높였다 낮췄다 하며 넓은 범위에서 물질의 거동을 확인할 수는 없었지만, 수집된 데이터는 극한의 스트레스 상황에서 수소 풍부 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 견고한 토대를 제공합니다. 이 연구는 요소를 압착함으로써, 비록 여전히 매우 차갑기는 하지만 전통적인 초전도체들보다 더 따뜻한 온도에서 완벽한 효율로 전기를 전도하는 새로운 상태의 물질을 만들어내는 것이 가능하다는 점을 확인시켜 주었습니다. 이 작업은 알려진 초전도 물질의 지도를 확장하며, 폴리하이드라이드에서의 고온 초전도 현상이라는 이론적 약속이 실질적인 현실이 되어가고 있다는 추가적인 증거를 제시합니다.