▲ (左부터)서울대학교 물리천문학부 이진호 교수(기초과학연구원 강상관계 물질 연구단 연구위원), 구리화합물 고온 초전도체 에너지 갭(gap)의 공간적 변이.

2016년 2월 인천국제공항과 인천 용유역을 왕복하는 자기부상열차의 상용화가 국내 최초로 이뤄졌다. 이번에 개통된 자기부상열차의 운영비는 기존 바퀴식 경전철 대비 60∼70% 수준으로 저렴하다.

하지만 전기료는 30% 정도 더 들어가는데 방식이 흡인식(인력을 이용) 자기부상으로 전자석에 전기를 지속적으로 흘려야하기 때문이다. 또한 부상 높이가 0.8~1.5cm에 불과해 고속상태에서는 정밀제어가 힘들어 500km/h 이상의 속도는 낼 수 없다.

이에 반해 우리가 알고 있는 초전도성을 이용한 반발식(척력을 이용) 자기부상열차는 부상 높이가 10cm 정도로 여객기 수준의 초고속(보잉 747 기준 약 900km/h)을 안정적으로 낼 수 있지만, 철로를 지속적인 초저온 상태로 유지하기 위해 액화 헬륨 등으로 냉각 시켜줘야 해 상용화가 불가능한 상태다.

상온에서 작동 가능한 고온 초전도체가 개발된다면 반발식 자기부상 열차의 상용화가 가능해 진다.

이에 IBS 강상관계 물질 연구단의 이진호 서울대학교 물리천문학부 교수 연구진과 미 코넬대 연구진은 공동으로 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscopy, 이하 STM)에 조셉슨 효과를 이용하는 방식으로 고온 초전도체의 초전도성 핵심 메커니즘으로 알려진 전자쌍을 원자 해상도로 관측하는데 성공했다.

초전도체는 외부온도가 임계온도 이하로 내려가면 두개의 전자가 짝을 지어 형성하는 쿠퍼쌍(전자쌍)에 의해 전류가 흘러 저항이 없어지는 성질을 가지고 있다.

하지만 아직까지도 임계온도는 130K(-143℃)로 산업에 활용하기에 낮은 온도였으며, 임계온도를 올리기 위해서는 메커니즘의 이해가 필수적이지만, 수많은 과학자들의 노력에도 아직 밝혀지지 않아, 고온 초전도체 연구는 사실상 답보 상태였다.

연구진은 STM 측정 탐침에 나노 크기의 구리화합물 고온 초전도체를 접합하고 이 탐침을 동종 구리화합물 고온 초전도체 표면에 나노미터 보다 짧은 거리로 근접시켜 초전도체/진공/초전도체 접합을 형성, 조셉슨 효과가 일어날 수 있도록 했다.

기존의 초전도체 실험들이 STM으로 전자를 측정하는 간접적인 방식이었지만 이번 연구는 초전도 현상의 근원인 전자쌍을 직접 관측했다.

이번 연구를 주도한 이진호 연구위원(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “쿠퍼 쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법을 개발해 쿠퍼쌍 밀도파 관측에 성공, 고온 초전도 현상에 대한 이론과 실험에 돌파구를 제시한 것”이라 연구 의의를 밝혔다.

이어 “고온 초전도 현상의 이해는 더 높은 임계온도를 갖는 초전도 물질의 발견과 개발을 가속, 무손실 송전, 조셉슨 소자 및 자기 부상 설비 등 다양한 상용화를 이끌어 낼 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 국내·외 연구진의 이번 연구결과는 네이처(Nature, IF 41.456) 온라인판에 4월 14일 게재됐다.