모든 초전도체(superconductor)에서 나타나는 재료의 두께, 온도 및 전기저항성에 대한 새로운 관계가 MIT 과학자들에 의해 발견되었다. 본 연구결과는 Physical Review B지 최신호에 게재되었다.

본 연구결과는 초전도성의 특성을 명확히 밝혀줄 뿐만 아니라, 양자 컴퓨팅 및 초저전력 컴퓨팅과 같은 분야에 사용할 수 있는 초전도성 회로 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다. MIT Research Laboratory of Electronics에서 박사후 연구과정으로 있으며 본 연구의 제1저자이기도 한 Yachin Ivry는, 이번 지식을 활용하여 이전에는 가능하지 않았던 대면적 기기의 제작과 수율(yield)의 큰 개선을 이룰 수 있었다고 밝혔다.

Ivry는 전기공학과 교수이자 본 연구의 공동저자이기도 한 Karl Berggren이 이끄는 Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group에 참여하고 있다. 이 연구팀은 특히 초전도체 박막(thin film)에 대해 연구하고 있다.

초전도체는 절대영도 수준의 온도에서 전기저항성을 보이지 않는 물질이다. 즉, 초전도체를 통한 전류의 이동에 에너지의 손실이 거의 없음을 의미한다. 초전도체성 회로로 만들어진 컴퓨터 칩은 이론상으로, 기존의 칩에 비해 에너지 소비량이 1/100 정도에 불과하다.

박막이 큰 흥미를 끄는 까닭은, 두 박막이 근접할 때 초전도성-절연성 전이(superconducting-to-insulating transition)라고 부르는 현상이 나타나기 때문이다. 초전도성은 전자들의 집단적 거동의 결과물이다. 따라서 크기를 점차 줄여나가다보면, 이런 집단적 거동의 시작을 알 수 있게 된다.

Ivry는 과학자들이 선호하는 물질인 niobium nitride를 연구하였는데, 벌크 형태에서 이 물질은 보통의 금속에서 초전도체로 전환되는 온도인 임계온도(critical temperature)가 상대적으로 높기 때문이다. 그러나 대부분의 초전도체와 마찬가지로, 나노기기 상에 박막 형태로 증착시킬 때 더 낮은 임계온도를 보이게 된다. 

이전의 이론연구에서는 필름의 두께 혹은 상온에서 측정된 저항률(resistivity)에 대한 함수로 niobium nitride의 임계온도를 특성화하였다. 그러나 어떤 이론도 Ivry가 얻은 결과를 설명해주지 못했다. 데이터들은 명확한 경향을 갖지 않았던 것이다. 동일한 조건에서 실험실적으로 얻은 결과였기 때문에 이해할 수 없었다고 Ivry는 밝혔다.

때문에 연구팀은 두께나 시트 저항성(단위 면적당 재료의 저항성)을 일정하기 유지하고 다른 요소들을 변화시키면서 일련의 실험을 수행하고 임계온도의 변화를 측정하였다. 그러자 명확한 경향이 나타났다. 공식(formula)을 만든 후, Ivry는 다른 초전도체 연구 문헌들의 결과치와 비교하였다.

다른 niobium nitride의 연구결과와 Ivry의 예측이 잘 일치하자, 다른 초전도체로 적용범위를 넓히기 시작하였다. 공식의 상수들을 조정하기 위함이었다. 공식의 일반적인 형태는 30개 정도의 다른 초전도체를 대상으로 완성된 것이었다.

상수들 간의 명확한 관계가 밝혀짐으로써, 공식에서 한 가지 상수만 알면 되도록 하였다. 더욱 흥미로운 사실은, 재료들이 명백히 다른 물리적 성질을 가진다는 점이다. 매우 무질서한 무정형(amorphous) 결정 구조에서 과립형태의 다소 정렬된 형태까지 나타났다. 

지금까지의 어떤 인정된 이론도 두께 및 시트 저항성과 임계온도의 관계를 다양한 물질을 포괄하여 설명해준 경우는 없었다고, 프랑스 대체에너지 및 원자력에너지 위원회(Alternative Energies and Atomic Energy Commission)에서 초전도성을 연구하는 Claude Chapelier는 평가하였다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』