상온 초전도체

1. 개요

상온 초전도체는 특정 온도 조건 없이 초전도 현상을 나타내는 물질을 의미하며, 1986년 고온 초전도체 발견 이후 다양한 연구가 진행되었지만, 아직까지 상온에서 초전도성을 보이는 물질은 확인되지 않았다. 2023년 퀀텀에너지연구소 등 한국 연구진이 LK-99라는 물질을 상온 초전도체라고 주장하며 논문을 발표했으나, 과학자들 사이에서 재현성 및 증거 부족에 대한 의문이 제기되며 논란이 일었다. 상온 초전도체는 전력 손실 없는 송전, 자기 부상 열차, 초고속 컴퓨터, 의료 기기 등 다양한 분야에 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

2. 상온 초전도체 연구 개발의 역사

1986년 액체 질소의 끓는점 이상을 의미하는 고온 초전도체가 발견된 이후, 여러 물질이 상온 초전도체라고 보고되었지만 이 중 실제로 상온 초전도체로 확인된 물질은 없다.

2.1. 2000년대 초반

2000년 존 프린스는 이온 주입 과정 중 다이아몬드에서 전자를 추출하는 과정에서 진공 상태에서 산소가 도핑된 IIa형 다이아몬드 표면에서 상온 초전도상을 관측했다고 주장했다. 2003년 한 연구진은 수소화 팔라듐(PdH_x: x>1)에서 고온 초전도 현상을 발견했다고 발표했고, 2007년에는 같은 연구진이 특정 수소화 팔라듐이 초전도체로 전이된다고 주장하는 연구를 발표했다. 초전도체의 임계 온도는 팔라듐 격자 내부의 수소 밀도가 증가할수록 같이 증가한다고 주장했으나, 이 연구들은 다른 연구진에 의해 검증되지 않았다.

2.2. 2010년대

2012년 《어드밴스드 매트리얼즈》에 게재된 논문에서는 흑연 분말을 정제수 처리했을 때 초전도 현상을 보였다고 발표했으나, 마이스너 효과는 입증되지 않았다.

2014년 《네이처》에 발표된 논문에서는 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)에 적외선 레이저를 이용해 상온에서 초전도 현상을 일으킬 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

2015년 막스 플랑크 연구소 연구진은 《네이처》에 다이아몬드 모루 셀 기술을 이용해 약 150 GPa (대기압의 150배)의 극한 압력에서 황화수소(H₂S)가 H₃S로 변화하며 초전도 현상을 보였다는 논문을 발표했다. 임계온도는 약 203,000로 당시까지 기록된 가장 높은 온도였으며, 이 연구에서는 기타 수소 화합물의 경우 최대 260,000까지 임계 온도가 올라갈 수 있다고 보고했다.

2018년 벵갈루루에 있는 인도 과학 연구소의 쿠마르 타파와 안슈 판데이 연구진은 금 구조체 사이에 은 입자가 있는 나노구조물질의 필름과 펠릿에서 상압 상온 초전도 현상이 나타났다고 주장했다. 그러나 다른 연구에서 추정되는 그래프의 노이즈 패턴과 해당 논문의 노이즈 패턴이 거의 유사했고, 논문이 동료평가를 제대로 거치지 못해 이 결과에 많은 의문이 제기되었다. 2019년 후속 논문에서 연구진들은 이를 검증했다고 주장했으나, 독립된 다른 연구진들은 이를 검증하거나 확인하지 못했다.

2018년에는 200 GPa의 초고압에서 란타늄화 십수소(H₁₀La)가 260,000에서 초전도 현상을 보였다는 발표가 있었다. 2019년 논문 검증을 통해 란타늄화 십수소가 가장 높은 전이 온도를 가진 초전도체로 인정받았으며, 공식적으로 확인된 전이 온도는 250,000이다.

2.3. 2020년대

2020년 10월 랑가 P. 디아스 연구진은 황화수소화 탄소에서 288,000의 상온 초전도 현상이 나타났다고 보고했으나, 데이터 문제로 인해 2022년 논문이 철회되었다.

2021년에는 262,000의 이트륨-팔라듐-히드론 층상물질에서 초전도 현상이 관측되었다는 보고가 있었다.

2023년 3월 랑가 P. 디아스 연구진은 질소가 도핑된 수소화 루테늄에서 1 Gpa, 294,000의 온도에서 초전도 현상을 보였다고 보고했다. 그러나 이 연구는 이전 논문 철회와 연구자의 과거 주장 등 여러 문제로 인해 진위 여부에 대한 의문이 제기되었다.

2023년 7월 퀀텀에너지연구소 등 한국 연구진은 LK-99라는 상온 초전도체 개발을 주장했으나, 전문가들은 회의적인 반응을 보였다.

2.3.1. LK-99 논란 (대한민국)

2023년 7월 23일, 퀀텀에너지연구소와 한국과학기술연구원(KIST)의 한국 연구진은 arXiv에 "최초의 상압 상온 초전도체"라는 논문을 게시하며, 자신들이 상온 초전도체인 LK-99을 개발했다고 주장했다. 이 논문은 arXiv의 자매 논문, 한국 저널에 게재된 논문, 특허 출원과 함께 게재되었다.

하지만, 옥스퍼드 대학의 재료과학 교수인 수잔나 스펠러는 "자기장 반응이나 비열 변화와 같은 초전도성에 대한 명백한 증거가 없어 이 샘플의 운동으로 초전도에 관한 강력한 증거를 발견했다고 말하기엔 너무 이르다"라고 말하는 등 여러 과학 전문가들이 회의적인 반응을 보였다. 다른 전문가들은 이 데이터가 "실험절차의 오류와 LK-99 샘플의 불순물 등으로 인한 문제점이 결합"된 것으로 설명할 수 있다거나, 연구진이 사용한 이론 모델에 대해 이의를 제기하기도 했다.

같은 날, 한국 연구진은 LK-99라고 명명한 구리 도핑된 납 아파타이트가 최대 370 K까지 초전도성을 띤다고 주장했지만, 이를 완전히 관찰하지는 못했다. 그들은 두 편의 논문을 arXiv에 게시하고, 학술지에 논문을 발표하고, 특허를 출원했다. 보고된 관찰 결과는 초전도성의 명확한 특징이 부족하여 전문가들로부터 회의적인 반응을 받았다.

이 소식은 소셜 미디어에서 널리 논의되었고, 많은 수의 재현 시도가 이어졌지만, 성공적인 경우는 거의 없었다. 8월 중순까지 주요 연구소에서 발표한 일련의 논문들은 LK-99가 초전도체가 아니라는 상당한 증거를 제시했으며, 구리보다 훨씬 높은 저항을 보였고, 물질 내 불순물과 강자성으로 인해 관찰된 자기 반응 및 저항 강하와 같은 현상을 설명했다.

3. 이론적 배경

닐 애시크로프트는 극도로 높은 압력(~ 500 GPa)에서 고체 금속성 수소가 높은 음속과 전도 전자, 격자 진동 포논의 강한 결합으로 상온에서 초전도 현상을 보일 것이라고 예측했다. 1964년, 윌리엄 A. 리틀은 유기 고분자에서 고온 초전도체의 가능성을 제안했다. 2004년, 애쉬크로프트는 수소 함유 화합물이 수소보다 낮은 압력에서 금속성을 띠고 초전도성을 나타낼 수 있다고 제안하며, IVa족 수소화물을 연구하여 수소를 화학적으로 미리 압축하는 새로운 방법을 제시했다.

스핀 결합, 바이폴라론 등의 이론이 상온 초전도 현상을 설명하는 데 제시되고 있다. 만약 바이폴라론 설명이 맞다면, 반도체 물질도 격자 내 단일 평면에서 임계 수준 이상의 교번 스핀 결합이 발생하면 특정 조건에서 초전도체로 전이될 수 있다. "양자 바이폴라론"은 물질이 거의 상온까지 초전도성을 나타내는 방식을 설명할 수 있다.

4. 상온 초전도체의 잠재적 응용 및 사회적 영향

현재 초전도 기술은 MRI 등 특수한 경우에만 쓰이고 있지만, 상온 초전도체가 개발되면 냉각 비용 없이 초전도 현상을 활용할 수 있게 된다. 이 때문에 상온 초전도체가 실현되면 산업 혁명을 뛰어넘는 큰 영향을 인류에게 줄 것이라고 예상된다.

4.1. 에너지 분야

상온 초전도체로 전력 손실이 없는 송전선을 개발하면 세계 규모의 전력 시스템 구축이 가능해진다. 또한 핵융합로의 실용화에도 기여하여 에너지 문제 해결도 기대할 수 있다.

4.2. 교통 분야

상온 초전도체가 실현되면 자기 부상 열차의 세계적인 보급이 가능해진다. 또한, 공중 부양 자동차와 같은 새로운 교통 수단도 실현될 수 있다.

4.3. 의료 분야

현재 초전도 기술은 MRI 등 특수한 예에만 국한되어 있지만, 상온 초전도체가 달성되면 냉각 비용 없이 초전도의 장점을 누릴 수 있게 된다. 상온 초전도체는 고도로 안전한 체내 삽입형 장치 개발을 가능하게 한다.

4.4. 정보통신 분야

상온 초전도체가 개발되면 냉각 비용 없이 초전도 현상을 활용하여 초절전 초고속 컴퓨터, 소형 저가형 양자 컴퓨터, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 같은 새로운 통신 기술 개발이 가능해진다.