이국적인 유형의 초전도성을 일으키는 이상한 '특이점'

절대 영도보다 훨씬 높은 온도에서 작동하는 초전도체는 발견된 이후 과학자들을 당황하게 만들었습니다. 새로운 이론이 이를 바꿀 수도 있습니다.

물리학자들은 고온 초전도성을 담당하는 신비한 메커니즘을 발견했으며, 이는 물리학의 "성배" 중 하나를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

진동 초전도성(oscillating superconductivity)으로 알려진 새로운 발견은 재료가 평소보다 훨씬 높은 온도에서 초전도를 가능하게 하는 프로세스를 식별하여 거의 무손실 에너지 전송을 촉진할 수 있는 실온 초전도체 재료 발견의 길을 열었습니다. 연구진은 7월 11일에 Physical Review Letters 저널에 연구 결과를 발표했습니다.

"물리학의 성배 중 하나는 일상 생활에 적용할 수 있을 만큼 실용적인 실온 초전도성입니다."라고 에모리 대학 물리학과 조교수인 Luiz Santos는 성명에서 말했습니다. "그 획기적인 발전은 문명의 형태를 바꿀 수 있습니다."

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초전도성은 전자가 물질을 통과할 때 발생하는 파문에서 나타납니다. 온도가 충분히 낮으면 이러한 잔물결로 인해 원자핵이 서로 끌어당겨지고, 결과적으로 두 번째 전자를 첫 번째 전자로 끌어당기는 약간의 전하 오프셋이 발생합니다.

이 인력의 힘으로 인해 이상한 일이 발생합니다. 정전기적 반발력을 통해 서로 밀어내는 대신 전자가 "쿠퍼 쌍"으로 결합됩니다.

쿠퍼 쌍은 고독한 전자와는 다른 양자 역학적 규칙을 따릅니다. 에너지 껍질을 형성하기 위해 서로 쌓이는 대신, 그들은 빛의 입자처럼 작용하며, 그 중 무한한 수는 동시에 공간의 같은 지점을 차지할 수 있습니다. 물질 전체에 이러한 쿠퍼 쌍이 충분히 생성되면 전기 저항으로 인한 에너지 손실 없이 흐르는 초유체가 됩니다.

1911년 네덜란드 물리학자 하이케 카메를링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 발견한 최초의 초전도체는 절대 영도(화씨 영하 459.67도, 섭씨 영하 273.15도)에 가까운 상상할 수 없을 정도로 추운 온도에서 전기 저항률이 0인 상태로 전환되었습니다. 그러나 1986년에 물리학자들은 큐레이트(cuprate)라고 불리는 또 다른 유형의 물질을 발견했는데, 이 물질은 훨씬 더 따뜻하지만(그러나 여전히 매우 추운) 영하 211F(영하 135C)에서 초전도체가 됩니다.

물리학자들은 이 발견이 실온 초전도체의 발견으로 이어져 무손실에 가까운 전기 전송의 문을 열 수 있기를 바랐습니다. 그러나 발견은 점차 줄어들었고 최근 상온 초전도체에 대한 주장은 스캔들과 실망으로 끝났습니다.

지금까지 상온, 대기압 초전도체를 찾지 못한 것은 부분적으로 전자가 상대적으로 높은 온도(표준 냉동고의 약 3배 낮은 온도)에서 쿠퍼 쌍을 형성하도록 허용하는 이론적 조건에 대한 물리학자들의 이해 부족에서 비롯되었습니다. 온도).

이를 조사하기 위해, 새로운 연구의 연구원들은 쿠퍼 쌍이 전하 밀도파로 알려진 진동 패턴으로 배열될 때 나타나는 특정 형태의 고온 초전도성에 초점을 맞췄습니다. 물질 전체에 걸쳐 쌍을 이루는 전자 사이의 일종의 질량 동기화 춤인 파동 간의 관계는 초전도성과 복잡한 연관성을 가지고 있습니다. 어떤 상황에서는 파동이 효과를 없애고 다른 상황에서는 전자를 서로 붙이는 데 도움이 됩니다.

물리학자들은 이러한 파동을 모델링함으로써 파동 출현의 열쇠가 반 호브 특이점(van Hove singularity)으로 알려진 특성일 가능성이 높다는 사실을 발견했습니다. 일반적으로 물리학에서 움직이는 입자의 에너지는 직관적으로 이동 속도와 관련이 있습니다.

그러나 일부 물질 구조는 이 규칙을 깨뜨려 동일한 에너지에서 서로 다른 속도의 전자가 존재할 수 있도록 합니다. 모든 전자의 에너지가 동일하면 상호 작용하고 쌍을 이루어 춤추는 쿠퍼 쌍을 더 쉽게 형성할 수 있습니다.