[해외 DS] 논란에도 불구하고 '황금기'에 접어든 초전도체 연구

상온 초전도 실험 논문 철회에도 불구하고, 초전도 연구는 르네상스 맞이
슈퍼 하이드라이드 등 초전도체 후보 물질 발견으로 연구는 활발해
고급 시뮬레이션 기술 발전이 초전도 연구 혁신 견인할 것

[해외DS]는 해외 유수의 데이터 사이언스 전문지들에서 전하는 업계 전문가들의 의견을 담았습니다. 저희 데이터 사이언스 경영 연구소 (GIAI R&D Korea)에서 영어 원문 공개 조건으로 콘텐츠 제휴가 진행 중입니다.

지난주 네이처가 폐열을 발생시키지 않고 냉장 없이도 전기를 전도할 수 있는 물질을 만들었다는 연구진의 주장을 철회하면서 상온 초전도에 관한 주장은 일단락되었다. 이러한 실패에도 불구하고, 초전도 연구자들은 이 분야가 어느 정도의 르네상스를 맞이하고 있다고 언급했다. 이러한 낙관은 부분적으로는 미지의 물질 존재와 특성을 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션의 발전으로 촉진되고 있다.

많은 주목을 받는 것은 ‘슈퍼 하이드라이드’인데, 수소가 풍부한 이 물질은 높은 압력을 유지할 때 더 높은 온도에서 초전도 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 철회된 네이처 논문의 연구 주제도 수소, 루테튬, 그리고 질소로 이루어진 물질에 관한 것이었다. 하지만 최근 몇 년간의 연구를 통해 혁신적인 특성을 보일 수 있는 여러 물질 군이 발견되었다. 즉, 새로운 초전도체들이 많이 발견될 가능성이 있는 상황에 놓여 있다.

‘서핑하는 전자’, 초전도 연구와 혁신

초전도 현상은 고체 내 전자가 결합하여 ‘쿠퍼쌍’을 형성할 때 나타난다. 이는 물질 내에서 더 많은 전자가 동시에 움직일 수 있게 하며, 전류를 발생시키는데 폐열을 생성하지 않는다. ‘기존’ 초전도체에서는 전자가 물질의 진동으로 서로 밀려 쿠퍼쌍을 형성하는데, 이 쿠퍼쌍은 파도를 타는 서퍼처럼 물리적 파동을 일으킨다. 2000년대 중반까지만 해도 연구자들은 일반적으로 이 메커니즘이 최대 40켈빈 정도의 극저온에서만 작동할 것으로 생각했다. 단일 원소로 만들어진 초전도체는 모두 10켈빈보다 낮은 온도에서 이 특성을 발휘한다. 2001년 일본 오카야마 대학의 아키미츠 준 교수 연구팀이 발견한 기존 초전도체인 이붕화 마그네슘은 최고 온도 기록을 39켈빈으로 끌어올렸다.

2004년 고인이 된 이론 물리학자 닐 애슈크로프트(Neil Ashcroft)는 특정 원소가 수소 원자를 서로 가깝게 만들 수 있는 충분한 압력을 가하면 다른 어떤 물질보다 훨씬 높은 온도에서 초전도 할 수 있는 수소와 화합물을 형성할 수 있다고 예측하면서 슈퍼 하이드라이드의 기초가 마련되었다. 애슈크로프트의 이론에 따르면, 수소 원자가 가까워지면 물리적 진동 주파수가 증가하여 물질이 초전도성을 유지하면서 더 높은 온도에서도 효과를 발휘할 수 있다. 하지만 이러한 물질이 존재하기 위해서는 지구의 핵과 비슷한 압력이 필요하다.

다이아몬드 앤빌 내부의 작은 표본에 대한 고압 실험을 수행하고 그 결과를 측정하는 기술이 발전하면서 2015년 독일 마인츠의 막스 플랑크 화학연구소의 물리학자 미하일 에레메츠(Mikhail Eremets)와 그의 동료들이 초수소화물인 황화수소의 초전도성을 처음으로 입증하는 획기적인 성과를 달성했다. 그 이후로 과학자들은 이 계열에 다른 여러 초전도 물질이 존재할 것으로 예측했으며, 그중 일부는 클라트레이트라고 불리는 칼슘 기반 케이지형 구조도 발견되었다. 현재 모든 종류의 초전도체 중 ‘가장 뜨거운’ 초전도체는 최소 250켈빈 이상의 온도에서 고압의 기존 초전도체로 입증된 초수소 계열의 일원인 란타늄 10수화물로 간주한다.

고급 시뮬레이션, 초전도 및 물질 예측의 혁신

에레메츠와 같은 연구자들은 이론·시뮬레이션·재료합성·실험의 상호작용이 혁신의 결정적인 역할을 한다고 강조했다. 2000년대 초반부터 시뮬레이션을 통해 특정 결정 구조와 화학적 구성을 가진 물질이 초전도체가 될 수 있는지, 그리고 어떤 온도에서 이러한 특성을 나타낼 수 있는지 예측할 수 있게 되었다. 하지만 물질의 특성뿐만 아니라 특정 원소 조합에서 어떤 물질이 형성될 수 있는지를 예측하는 알고리즘이 도입된 것은 10년이 더 걸렸다.

2015년에 황화수소가 초전도체임이 발견되었을 때, 이는 이전에 수행된 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 부합했다. 모스크바의 스콜코보과학기술연구소의 재료 과학자인 아르템 오가노프(Artem Oganov)는 구조 예측 알고리즘이 없었다면 수소가 풍부한 초전도체 발견은 “아마 한 세기가 더 지나야 했을 것”이라고 전했다. 특히, 그의 ‘진화’ 알고리즘은 주어진 압력에서 가장 낮은 에너지를 갖는, 따라서 안정적으로 형성되고 유지될 가능성이 가장 높은 원자 구성을 찾아낸다.

고압에서의 물질 행동을 예측하는 시뮬레이션은 원자들이 서로 너무 밀집되어 외부 전자뿐만 아니라 내부 전자와 상호작용하는 상황에서 특히 중요하다. 이는 화학 교과서의 통념을 뒤엎어 버리는데, 고압에서만 존재할 수 있는 LiH₆가 그 대표적인 사례다. 뉴욕 버팔로대학의 계산 화학자인 에바 주렉(Eva Zurek)은 “일반적인 화학 수업을 들은 사람이라면 누구나 LiH₆와 같은 물질은 안정적일 수 없다고 생각할 것”이라고 설명했다.

Superconductor Research Is in a ‘Golden Age,’ Despite Controversy

The search for room-temperature superconductors has suffered scandalous setbacks, but physicists are optimistic about the field’s future

A Nature retraction last week has put to rest the latest claim of room-temperature superconductivity — in which researchers said they had made a material that could conduct electricity without producing waste heat and without refrigeration.

The retraction follows the downfall of an even more brazen claim about a supposed superconductor called LK-99, which went viral on social media earlier this year.

Despite these high-profile setbacks, superconductivity researchers say the field is enjoying somewhat of a renaissance (see ‘Timeline: Superconductivity milestones’). “It’s not a dying field — on the contrary,” says Lilia Boeri, a physicist who specializes in computational predictions at the Sapienza University of Rome. The progress is fuelled in part by the new capabilities of computer simulations to predict the existence and properties of undiscovered materials.

Much of the excitement is focused on ‘super-hydrides’— hydrogen-rich materials that have shown superconductivity at ever-higher temperatures, as long as they are kept at high pressure. The subject of the retracted Nature paper was purported to be such a material, made of hydrogen, lutetium and nitrogen. But work in the past few years has unearthed several families of materials that could have revolutionary properties. “It really does look like we’re on the hairy edge of being able to find a lot of new superconductors,” says Paul Canfield, a physicist at Iowa State University in Ames and Ames National Laboratory.

SURFING ELECTRONS
Superconductivity arises when electrons in a solid combine to form ‘Cooper pairs.’ This enables many more electrons than usual to move in sync inside the material, which in turn enables the electrons to carry currents without producing waste heat.

In ‘conventional’ superconductors, electrons form Cooper pairs when nudged together by vibrations in the material — mechanical waves that the Cooper pairs ride like surfers on a wave. Until the mid-2000s, researchers generally thought that this mechanism would work only at extremely low temperatures, up to around 40 kelvin. Superconductors made of a single element all require temperatures lower than 10 kelvin to exhibit this property. Magnesium diboride, a conventional superconductor discovered in 2001 by a team led by Jun Akimitsu at Okayama University in Japan, raised the record for the highest temperature to 39 kelvin.

The basis for super-hydrides was laid out in 2004, when the late theoretical physicist Neil Ashcroft predicted that certain elements would form compounds with hydrogen that could superconduct at much higher temperatures than could any other material, if put under enough pressure to force the hydrogen atoms closer together.

According to Ashcroft’s theory, the proximity of the hydrogen atoms would increase the frequency of mechanical vibrations, which would enable the material to get warmer while retaining its superconductivity. But there was a catch: to even exist, some of these materials would require pressures comparable to those in Earth’s core.

Advances in carrying out high-pressure experiments on tiny samples inside a diamond anvil — and measuring their outcomes — led to a breakthrough in 2015, when physicist Mikhail Eremets at the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz, Germany, and his collaborators first demonstrated superconductivity in a super-hydride, hydrogen sulfide. Since then, scientists have predicted the existence of several other superconducting materials in this family — some of which have been found, including calcium-based cage-like structures called clathrates.

At present, the ‘hottest’ superconductor of any kind is considered to be lanthanum decahydride, a member of the super-hydride class that is proven to be a high-pressure, conventional superconductor at temperatures of up to at least 250 kelvin.

ADVANCED SIMULATIONS
Eremets and others say that the interplay of theory, simulation, materials synthesis and experiment has been crucial to progress. Beginning in the early 2000s, it became possible for simulations to predict whether a material with a certain crystal structure and chemical composition could be a superconductor, and at what temperatures it could exhibit this property. But the next major shift was the introduction of algorithms later that decade that could predict not just the properties of a material, but what materials can form from a given mix of elements. “Until then, a crucial bit was missing: understanding whether a compound can form in the first place,” says Boeri.

The discovery in 2015 that hydrogen sulfide is a superconductor was consistent with computer simulations conducted the year before. Without rapid advances in structure prediction, the discovery of hydrogen-rich superconductors “probably would have not happened for another century,” says Artem Oganov, a materials scientist at the Skolkovo Institute of Science and Technology in Moscow, who has pioneered structure-prediction algorithms. His ‘evolutionary’ algorithms, in particular, find the configuration of atoms with the lowest energy — and therefore best chance to form and remain stable — at a given pressure.

Simulations are especially crucial for predicting the behaviour of materials at high pressures, under which atoms are pushed so close to one another that they begin to interact not only through their outer electrons, but also with more inner ones, throwing chemistry-textbook dogma out of the window. An example of this is lithium hexahydride, which can exist only at high pressures. “Anybody in general-chemistry class would tell you that something like LiH6 cannot be stable,” says Eva Zurek, a computational chemist at the University at Buffalo in New York.