Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
이 논문은 토포택틱 환원법(topotactic reduction)을 통해 합성된 5층 구조의 사각 평면 니켈레이트인 La6Ni5O12에서 상온 압력 하의 벌크 초전도성을 발견하였음을 보고하며, 이는 약 18 K의 온셋 전이 온도와 약 25%의 초전도 부피 분율을 나타내어 니켈레이트에서의 고온 초전도 메커니즘을 조사하기 위한 중요한 플랫폼을 구축한다.
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수십 년 동안, 저항 없이 전기를 전도하는 가장 유명한 재료 군은 구리 기반 세라믹인 큐프레이트(cuprates)였습니다. 이 재료들은 절대 영도보다 훨씬 높은 온도에서도 완벽한 효율로 전류를 운반할 수 있으며, 이는 1980년대 이후부터 과학자들을 매료시켜 온 특성입니다. 그러나 이 재료들의 작동 원리를 정확히 이해하는 것은 어려웠는데, 왜냐하면 가장 유용한 형태의 이 재료들은 박막 형태로만 존재하거나 기능을 하기 위해 엄청난 압력을 필요로 했기 때문입니다. 이러한 한계로 인해 연구자들은 마치 지붕만 보고 집 내부를 이해하려고 노력하는 것과 같이 간접적인 방법에 의존해야만 했습니다. 이 수수께끼를 풀기 위해 과학자들은 구리 기반 재료와 유사하게 작동하면서도 연구하기 더 쉬운 새로운 재료 군을 찾아왔습니다. 그들은 구리 재료와 유사한 화학적 구조와 전자 환경을 공유하는 니켈 기반 산화물에 주목했습니다. 니켈 기반 초전도체는 최근에 발견되었지만, 이들 역시 동일한 함정에 빠져 있었습니다. 즉, 얇은 층 형태이거나 극한의 압력 하에서만 작동하여, 재료의 본체(bulk)는 초전도 상태가 되지 못했다는 점입니다.
연구팀은 이제 일반 대기압에서 저항 없이 전기를 전도하는 니켈 기반 재료의 덩어리(chunk)를 만들어냄으로써 이 장벽을 깨뜨렸습니다. 과학자들은 고온과 고압 하에서 자연적으로 형성되는 5층 결정 구조를 가진 특정 니켈 화합물에서 시작했습니다. 이 초기 재료는 금속성 도체였으나 아직 초전도체는 아니었습니다. 이를 변형시키기 위해 연구진은 정교한 화학적 수술을 수행했습니다. 그들은 결정체를 특정 산소 원자를 스펀지처럼 흡수하는 화학 작감제와 함께 밀폐된 환경에 두었습니다. 토포택틱 반응(topotactic reaction)으로 알려진 이 과정은 결정 구조를 파괴하지 않으면서도 재료 내부의 원자 배열을 바꿀 수 있을 만큼만 충분히 산소를 제거했습니다. 그 결과, 이론적 모델이 오랫동안 초전도성에 이상적이라고 예측해 온 구조인, 니켈 원자들이 평평하고 사각형에 가까운 평면에 놓이는 새로운 버전의 재료가 탄생했습니다.
연구진이 이 새로운 재료를 테스트했을 때, 약 18 켈빈(섭씨로 약 영하 255도)의 온도에서 저항 없이 전기를 전도하기 시작하는 것을 발견했습니다. 이것은 단순한 표면 효과가 아니었습니다. 재료는 전체 부피에 걸쳐 진정한 초전도체로서 작동했습니다. 이를 확인하기 위해 연구팀은 재료가 자기장에 어떻게 반응하는지 측정했습니다. 그들은 재료가 자기장을 스스로 밀어내는 현상을 관찰했는데, 이는 초전도성의 특징입니다. 또한 재료가 구조 내부에 자기력선을 가둘 수 있음을 확인했는데, 이는 에너지를 잃지 않고 전류를 운반하고 있다는 신호입니다. 그들은 또한 재료의 열용량을 측정하였고, 전기가 저항을 만나지 않게 되는 온도와 동일한 지점에서 뚜렷한 도약(jump)이 나타나는 것을 확인했습니다. 이 도약은 재료의 상당 부분이 초전도 상태에 진입했음을 보여주는 결정적인 열역학적 징후입니다.
연구 결과, 이 변형의 성공은 전적으로 정밀도에 달려 있었다는 것이 밝혀졌습니다. 만약 화학적 처리가 너무 약하면 재료는 일부 특이한 자기적 성질을 가진 일반 금로로 남았습니다. 반대로 처리가 너무 강하면 재료는 전기를 차단하는 절연체로 변했습니다. 매우 좁은 화학적 조정 범위 내에서만 초전도 상태가 나타났습니다. 연구진은 샘ек플의 약 4분의 1이 초전도 상태이며, 나머지는 미세한 균열이나 약간의 화학적 구성 변화로 인해 일반 상태로 남아있을 것으로 추정했습니다. 그럼에도 불구하고, 이번 발견은 일반 압력에서 작동하는 니켈 기반 초전도체의 첫 번째 벌크 샘플을 제공했다는 점에서 매우 중요합니다. 이는 과학자들이 중성자 산란 및 첨단 이미징과 같은 강력한 도구를 사용하여 재료 내부를 직접 들여다보고, 수년간 숨겨져 왔던 고온 초전도성의 비밀을 밝혀낼 수 있는 길을 열어줍니다.
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