제5탄 상온 상압 초전도체 LK-99, 1차원 구리 원자 사슬에서 초전도 현상 발생 주장

이석배·김지훈·김현탁·임성연·안수민·오근호씨가 저자로 참여한 연구진은 논문 사전공개 사이트 '아카이브'에 세번째 수정 논문을 실으면서 LK-99에서 상온·상압 초전도 현상이 일어나는 이론적 배경을 '1차원 BR-BCS이론'으로 설명했다.

 

이 이론은 극저온에서 일어나는 초전도 현상을 설명하는 주류 초전도 이론인 'BCS이론'을 포괄하면서, 극저온이나 초고압이 필요 없는 조건에서 일어나는 초전도 현상도 설명한다는 게 연구진의 주장이다.

 

연구진은 LK-99가 초전도 임계온도 위에서는 오믹(Ohmic) 금속특성을, 그 아래에서는 상온 및 대기압 조건에서 초전도체의 특성인 마이스너 효과를 나타낸다고 밝혔다. LK-99의 초전도 임계온도는 126.85도(400K) 이상으로 제시했다.

 

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연구진은 이 물질이 상온 초전도 가능성을 갖는 요인을 두가지로 분석했다.

 

첫째는 납, 구리, 인이 산소와 결합한 아파타이트(Apatite·육각기둥 모양으로 원자 배열이 반복된 형태) 구조의 납 자리에 구리가 들어가 절연체·금속 전이(insulator-metal transition)가 일어나면서 부피가 수축된다는 것.

 

두번째는 임계온도에서 초전도 응축이 발생해 구리·산소·구리를 연결하는 1차원 사슬 구조에 변형이 일어나면서 반발성 쿨롱 상호작용이 강화된다는 것이다.

 

쿨롱 상호작용은 전기적 성질을 띠는 두 물질 사이에서 작용하는 힘의 일종이다.

 

연구팀은 그러면서 상온에서 초전도 상전이가 일어나는 메커니즘으로 '1차원 BR-BCS이론'을 제시했다. BR-BCS는 논문 저자 중 한명인 김현탁 미국 윌리엄앤드메리대학 교수가 기존에 있던 BR이론과 BCS이론을 결합해 2021년 제시한 상온 초전도 이론이다.

 

이번 논문의 이론적 배경을 제시한 김현탁 교수는 "LK-99의 납 아파타이트 구조는 외부 육각형과 내부 육각형으로 구성됐는데, 그중 내부 육각형은 삼각형 두개가 겹쳐진 구조"라면서 "이 삼각형의 일부 납 원자가 구리 원자로 치환되는데, 이 때 구리는 최외각에 한개의 홀을 갖는 금속이 된다"고 설명했다.

 

삼각형이 층층이 쌓인 가운데 삼각형을 구성하는 구리가 세로 축으로 연결된 1차원 금속이 만들어진다는 것. LK-99의 경우 임계온도 위에서는 금속이고 그 아래에서는 초전도체가 된다. 김 교수는 원자치환으로 인해 납 아파타이트 결정의 부피가 수축하면서 원자간의 거리가 좁혀지고, 그 결과 구리원자 사이에 터널전류가 발생하면서 초전도 현상이 일어난다고 해석했다. 연구진은 국제학술지 APL(Applied Physics Letters)에 제출한 논문도 학술지 측의 리뷰 리포트를 받은 후 수정해서 낼 예정이다.