철 베이스 고온 초전도(Iron base High temperature Superconducting) 가족 중 2개 서브 가족은 각각 구조가 유사한 FeSe4와 FeAs4 4면체 층을 각자의 초전도 기초 요소(Primitives)로 하고 있다. 하지만 전형적인 FeSe 베이스 초전도체인 AyFe2-xSe2 (A=알칼리 금속 이온) 모체(母體) 위상과 정상적인 상태 관련 실험을 통해 FeSe 베이스 시스템은 다르기 때문에 두 가지 철 베이스 시스템의 고온 초전도성이 동일한 물리 기원을 보유하고 있는지에 대해 의문을 가지게끔 하는 결과를 발생시키고 있는 것으로 나타났다. 

이런 문제점에 대해 정확한 해석을 하는 것은 각 종 유형의 고온 초전도체 물리 메커니즘을 탐색하는 면에서 중대한 의미를 보유하고 있다. 하지만 실험 과정에서의 난점은 AyFe2-xSe2 속 반 강자성 절연 245 위상이 일반적으로 초전도 위상과 공생(共生)하기 때문에 고유 물질 특성에 대한 관측을 방해하고 있다는 점이다. 지난 2014년도에 FeSe 베이스의 새로운 고온 초전도체인 Li0.8Fe0.2OHFeSe가 보도된 후 관련 실험 연구는 새로운 전환기를 맞이하게 되었다. 

최근 중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음) 소속 ‘초전도 국가 중점 실험실’ SC4팀 뚱샤오리(董曉莉) 연구원은 SC2팀 진쿠이(金魁) 연구원 및 칭화(淸華)대학 장광밍(張廣銘) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하여 새로운 고온 초전도 시스템인 Li1-xFexOHFe1-ySe 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 

수열 합성 시리즈 파우더 샘플에 기반하여 최초로 개발된 높은 TC 시스템 Li1-xFexOHFe1-ySe의 완벽한 위상 그림을 통해 반강자성 SDW 위상 구역이든 초전도 위상 구역이든 물질 특성은 모두 FeAs 베이스 시스템과 극히 유사한 것으로 나타났다. 관련 실험 결과, FeAs 베이스와 FeAs 베이스 고온 초전도체는 실제적으로 유사한 전자 상호 역할 배경을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 때문에 고온 초전도성은 공동 물리 메커니즘을 보유하고 있는 상황이다. 관련 연구 성과는 국제학술지 `미국화학회지(JACS)’에 게재됐다(JACS 137, 66(2015)). 

연구팀은 이온 교환 기술을 성공적으로 응용하여 최초로 사이즈가 크고, 품질이 높은 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 초전도 단결정(TC = 42 K, 사이즈가 10mm 수준보다 큼)을 합성하였을 뿐만 아니라, 동 재료는 실험 관측을 실행한 245 위상에 대해 영향을 끼치지 않는다는 점을 입증하였다. 이번 단결정 샘플 개발의 성공은 2차원 본질 특징의 전자 특성을 정밀 해석하는 것을 가능할 수 있도록 하였다. 

연구팀은 관련 실험을 통해 특정 온도인 T* (=120 K) 하에서의 정상적인 상태를 발견하였으며 이상한 자기화 및 전기 저항의 선형 온도 의존 및 높은 2차원 전자 전송을 실현하였다. 초전도 상태 하에서 임계장(Critical field)은 강한 이방성을 보유하고 있는 것으로 나타났다. Hall 계수는 전자 타입 캐리어가 전하 전송을 주도한다는 점을 나타내고 있으며 홀 타입의 캐리어는 T* 이하 수준에서 극히 약화되는 것으로 나타났다. 

연구팀은 관련 실험을 통해 초전도 전자 페어링이 2차원 반강자성 스핀 변동과 관련된다는 점을 입증하였다. 반강자성 변동과 유사한 특징은 FeAs 베이스와 구리 산화물 고온 초전도체에서도 일상적으로 나타나고 있는 것으로 나타났다. 다양한 유형의 FeSe 베이스 초전도체를 비교해 보면, 초전도 임계 온도가 높은 시스템 결정체와 전자구조의 2차원 특성이 더욱 강한 것으로 나타났다. 

특히 높은 TC와 높은 2차원의 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 단결정은 SrTiO3 기판 상의 FeSe 단일 층 막 계면 초전도체(TC는 ~65K 높은 수준에 달함)와 매우 유사한 것으로 나타났다. 때문에 2차원 전자 상호 역할은 고온 초전도성에 있어서 극히 중요한 관계를 보유하고 있는 상황이다. 

연구팀의 관련 연구 성과는 Editors’ Suggestion로 PRB 학술지에 게재되었다(PRB 92, 064515 (2015)). 관련 논문 정보는 다음과 같다. Dong, X.L. et al., J. Am. Chem.Soc.137, 66(2015); Dong, X.L. et al., Physical Review B 92, 064515 (2015) (Editors’ Suggestion)。 

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 중국과학원의 ‘B 유형 선행 과학연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』