[표지로 읽는 과학]100년 만에 구현한 상온 초전도

네이처 제공

국제학술지 네이처는 이달 14일 상온을 가리키는 온도계와 아주 높은 압력을 가리키는 기압계그림을 표지에 실었다. 네이처는 14.5도의 상온과 대기압의 267만 배에 이르는 고압 환경에서 초전도성을 나타내는 물질을 찾은 연구를 커버스토리로 소개했다.

네덜란드 물리학자 카멜린 온네스가 1911년 처음 발견한 초전도성은 특정 조건에서 전기 저항이 0이 되고 주변 자기장을 밀어내는 성질이다. 초전도성을 갖는 물질인 ‘초전도체’로 전선을 만들면 전기를 손실 없이 보낼 수 있어 전기 제품의 효율을 높이거나 크기를 작게 만들 수 있다.

전기 저항이 0이 되면 초전도체는 내부로 들어오는 자기장을 밀어내는 ‘마이스너 효과’가 나타난다. 초전도체를 이용해 레일을 만들면 마찰과 소음이 거의 없는 연료 효율이 높은 자기부상열차도 만들 수 있다. 현재의 자기부상열차는 에너지의 대부분을 열차를 부양 시키는데 쓰고 있어 비효율적이다.

현재 주변에서 초전도체를 쉽게 볼 수 없는 이유는 초전도성이 극저온 환경에서만 나타나기 때문이다. 온네스가 수은에서 초전도성을 발견했을 때도 영하 270도였다. 극저온을 유지하려면 비싼 액체 헬륨이나 액체 질소로 물질을 냉각해야 하고 그밖에 고압의 조건도 필요하다. 이런 이유로 물리학자들은 보다 높은 온도에서 초전도성이 나타나는 초전도체를 찾아나섰다. 

수소를 기반으로 만든 물질이 비교적 높은 온도에서 초전도성을 나타냈다. 2015년이 지나 황화수소(H3S)와 수소화란타넘(LaH10)을 이용한 초전도체가 등장하면서 마침내 비교적 높은 온도인 영하 20도에서 초전도성을 구현할 수 있었다.

랜거 다이어스 미국 로체스터대 연구팀은 ‘다이아몬드 앤빌셀’로 만든 고압의 환경에서 수소와 탄소 그리고 황을 광화학적으로 합성해 만든 탄소 질 황 수소화물이 14.5도에서 전기 저항이 0이 되는 걸 관찰해 상온에서 작동하는 최초의 초전도체를 만들었다.

다이어스 교수는 “아주 낮은 온도라는 조건 때문에 일상 생활에 초전도체를 활용할 수 없었다”며 “이번 연구가 그동안의 장벽을 깨고 초전도체를 적극 활용할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

상온에서 초전도성을 구현했지만 ‘압력’이라는 숙제가 남았다. 다이어스 교수는 앞으로 더 낮은 압력에서 작동하는 상온 초전도체를 연구할 예정이다. 만약 압력도 대기압 수준까지 끌어올린다면 그동안 상상해왔던 에너지를 손실 없는 전력망이나 자기부상열차가 만들어져 새로운 세상이 펼쳐질지도 모른다.

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]