[과기부] 플루토늄계 초전도 원인 규명
- 글쓴이
- scieng
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- 2005-03-31 15:52
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플루토늄계 초전도 원인 규명
과학기술부와 한국과학재단에서 지원한 우수연구센터(SRC)인 서울대학교 복합다체계 물성연구센터(CSCMR)에 참여하고 있는 전남대학교 물리학과 방윤규((方潤奎, 48세)교수와 미국 로스 알라모스 국립 연구소 공동 연구팀은 절대온도(절대온도 0 K는 섭씨 마이너스 273도 C 이다) 18.5 K에서 초전도 현상을 보이는 플루토늄(Pu)이 포함된 화합물(PuCoGa5)의 초전도 현상을 세계 최초로 이론적으로 규명하였다.
이 연구 결과는 2005년 3월 31일 세계적 과학저널지인 Nature 지에 “플루토늄(Pu) 화합물(PuCoGa5)의 비일반적 초전도 현상 (Unconventional superconductivity(2,3) in PuCoGa5)" 라는 제목으로 발표되었다.
* 초전도체란 전기가 통할 때 저항이 없어지는, 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파 통신, 뇌파 측정 등에 쓸 수 있는 꿈의 물질이다.
이번 방 교수의 새로운 초전도체의 원인 규명은 그 동안 막혀 있었던 고온 초전도 현상 규명에 새로운 전기를 마련것으로 우리나라의 초전도 연구가 세계 최고의 수준에 도달했음을 알려 주고 있다.
플루토늄(Pu)은 1941년에 인간에 의해서 최초로 합성된 원자로서 핵무기의 연료로 쓰이기 때문에 최근 북핵 문제등과 관련하여 언론에 자주 보도되어 우리에게도 잘 알려진 원자이다. 그런데 이번에 한국과 미국의 공동 연구팀의 연구 결과는 원자탄의 원료인 플루토늄이 순수 기초과학의 평화적 연구의 대상으로써 매우 중요하게 쓰일 수 있음을 보여주었다는 점에서 그 중요성을 더하고 있다.
이번에 밝혀진 플루토늄 초전도 물질은 미국 로스 알라모스 연구소의 제이 사라오 박사(J. Sarrao) 등에 의해서 2002년도에 처음 합성된 물질로 (Nature 420, p297 (2002)), 절대 온도 18.5 K에서 초전도 현상이 나타나는데, f-궤도 전자(4)로 이루어진 물질에서 이렇게 높은 온도의 초전도 현상이 나타난 것은 전혀 예측하지 못했던 발견이었다. 이제까지의 f-궤도 전자에서의 초전도현상은 씨리움(Ce) 화합물 (CeCoIn5) 에서 측정된 절대 온도 2.3 K가 가장 높은 온도였다.
한편, 1986년에 발견된 구리(Cu) 산화물을 기반으로 하는 고온초전도체는 d-궤도 전자의 초전도체로 지금까지 가장 높은 초전도 임계 온도를 가지며, 그 온도는 약 100 K (최대 135 K)나 된다. 고온초전도체의 발견은 곧 상온 (평균 대기온도, 즉 섭씨 25C 또는 절대온도 298K) 에서도 초전도가 되는 물질의 개발을 꿈꾸며 전 세계의 과학계를 뜨겁게 달구었다. 그러나 지난 20년간의 전 세계적인 연구에도 불구하고 고온초전도체의 초전도 현상은 현재까지 미해결의 문제로 남아있고 이 문제를 해결하는 물리학자는 노벨 물리학상이 보장되어있다고 말해지고 있다.
이번 연구논문에서는 플루토늄 화합물 (PuCoGa5)의 초전도 현상을 규명하면서 플루토늄 원자의 f-궤도 전자의 양자역학적 특성에 주목하여, 플루토늄 원자의 f-궤도 전자는 씨리움(Ce) 원자의 f-궤도 전자와 구리산화물의 d-궤도 전자의 중간적인 특성이 있음을 밝혀내었다. 그 결과 왜 플루토늄 초전도체에서의 초전도 임계온도가 두 화합물의 임계온도인 절대 온도 2K 와 100K 의 중간 정도인 18.5K 를 갖는 지를 성공적으로 설명하였다. 이 연구 결과는 현재 물리학의 최대 미해결 과제인 고온초전도체 현상을 규명하는데 결정적 단서를 제공하였다. 따라서 이번 연구 결과는 그 동안 답보 상태에 있던 전 세계의 고온 초전도체 연구자들을 다시 바쁘게 할 것으로 보인다.
방 교수의 이번 연구 결과는 평소의 f-궤도 전자 초전도에 대한 지속적인 연구와 최근에 발표한 “강한 자기요동에 의한 초전도 이론”에 바탕을 두었으며, 이 논문 또한 세계적인 물리학 학술지 Physical Review B에 2004년도에 발표된바 있다 (PRB 70, p104512 (2004)). 방윤규 교수의 연구 결과는 지난 20년간 응집물질물리 연구 분야의 가장 어려운 미해결 문제로 남아있는 고온초전도체 현상을 규명하는 단서를 제공했을 뿐만 아니라, 보다 근본적으로는 d-궤도 및 f-궤도 전자들로 이루어진 금속들의 양자 역학적 거동을 이해하는 통일적인 이론적 토대를 마련할 것으로 기대된다.
원자탄의 원료인 플루토늄(Pu)은 평화적 순수기초과학 연구라 하더라도, 전 세계적으로 2-3 곳의 매우 제한된 연구소에서만 취급이 허용되는 물질로 국내에서는 연구를 할 수가 없으며, 방윤규 교수는 미국 로스 알라모스 국립연구소(5)를 2년간 직접 방문하며 연구한 결과 지금 같은 쾌거를 이루게 되었다.
방교수의 초전도 연구 결과는 2001 년도 포항공대 이성익 교수팀의 Science 지에 발표한 세계 최초의 이 붕소 마그네슘의 박막 제조와 2002 년도 한국고등 과학원의 최 형준 교수에 의해 Nature 지에 발표된 이 붕소 마그네슘의 두 가지 쿠퍼쌍의 논문에 이어 한국 초전도학계의 세 번째 큰 경사이다.
포항 공대의 이성익 교수는 다음과 같이 평을 하였다. 이번 방교수의 플루토늄에서의 초전도 현상 규명은 매우 놀라운 일이다. f-궤도 전자에서의 초전도 현상 규명은 지난 20 년간 미해결의 문제로 남아있는 d-궤도 전자에서의 고온 초전도 문제 해결에 중요한 실마리가 될 것이며, 이번 방교수의 연구 결과로 초전도 이론과 응용에 크나큰 발전이 있을 것이다. 또한 북한이 플루토늄을 이용하여 원자 폭탄을 만들었다고 발표하여 한반도와 세계 평화를 위협하는 상황에서 남한의 과학자가 이 물질의 초전도 이론을 규명, 인류의 복지와 세계의 평화를 위해 사용할 수 있는 과학적 업적을 쌓았다는 점을 주목 해야 할 것이다. 단지 아쉬운 부분이 있다면 플루토늄이 국제적으로 엄격히 통제되고 있는 물질이므로 국내의 초전도 실험 학자들이 이 물질의 초전도 현상을 연구할 수 없다는 점이다. 국내의 초전도 실험 수준이 세계적이고, 원료만 확보가 된다면 우리 기술로도 이 초전도체를 제조 할 수 있는 길이 보이는데, 단지 핵무기의 재료가 되어 실험이 허락이 되지 않는 것이다.
※ 최근 국내의 초전도계에서 세계를 앞서 가는 연구 결과가 끊임없이 나오는 이유는 무엇 일까? 초전도 종사자들에 의하면 정부의 지속적 지원이 첫 번째 이유가 된다. 현재 과학기술부의 차세대초전도응용기술개발사업단 및 포항공과대학교의 창의적연구진흥사업 과제 등 초전도 연구에 집중적인 투자를 하고 있다. 또한 초전도 연구 종사자들의 끊임없는 노력이 그 두 번째 이유이다. 한 예로 본 전남대학교의 방윤규 교수, 포항공과대학교의 이성익 교수는 1993년 이후 매년 일년에 두 차례 매번 5박 6일의 초전도 계절학교를 개최하고 있다. 이 학교는 처음에는 10여명으로 시작하였지만 지금은 100여명으로 참석자가 늘었다. 이 합숙 계절학교에 참가하는 연사는 무려 일곱 시간 동안 자신이 아는 모든 것을 털어 놓아야 한다. 실력 있는 학자들도 초전도 전문가들 앞에서 모든 질문을 다 받아가면서 일곱 시간을 강의를 한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 현재 자진하여 강의를 하겠다는 연사가 끊임없이 나타나는 것으로 보아 이 분야가 얼마나 활성화가 되었는가를 알 수가 있다. 이 계절학교에서 학생 신분으로 참석했던 많은 사람들이 이미 국내 주요 대학의 교수나 국공립 연구소, 기업체등의 연구원으로 성장하여 초전도 연구뿐만 아니라 반도체 연구분야 등에서도 중추적 역할을 담당하고 있다. 이러한 예는 기초과학에 대한 지속적인 투자가 일반적인 생각보다 그 결실을 훨씬 빠르고 효율적으로 맺는다는 것을 보여주고 있다.
취재 : kwonmj@most.go.kr (권민재) | 등록일 : 2005.03.31
출처 : http://www.news.go.kr/warp/webapp/news_broad/gov_view?r=&list_op=YTo2OntpOjA7czo1OiJsc3RvcCI7aToxO3M6ODoiZ292X2xpc3QiO2k6MjtzOjE3OiJyZXNlcnZlX2RhdGVfZGVzYyI7aTozO2k6MzA7aTo0O2k6MTU7aTo1O2k6MTA7fQ%3D%3D&id=868155a9441317de8a7ba842
과학기술부와 한국과학재단에서 지원한 우수연구센터(SRC)인 서울대학교 복합다체계 물성연구센터(CSCMR)에 참여하고 있는 전남대학교 물리학과 방윤규((方潤奎, 48세)교수와 미국 로스 알라모스 국립 연구소 공동 연구팀은 절대온도(절대온도 0 K는 섭씨 마이너스 273도 C 이다) 18.5 K에서 초전도 현상을 보이는 플루토늄(Pu)이 포함된 화합물(PuCoGa5)의 초전도 현상을 세계 최초로 이론적으로 규명하였다.
이 연구 결과는 2005년 3월 31일 세계적 과학저널지인 Nature 지에 “플루토늄(Pu) 화합물(PuCoGa5)의 비일반적 초전도 현상 (Unconventional superconductivity(2,3) in PuCoGa5)" 라는 제목으로 발표되었다.
* 초전도체란 전기가 통할 때 저항이 없어지는, 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파 통신, 뇌파 측정 등에 쓸 수 있는 꿈의 물질이다.
이번 방 교수의 새로운 초전도체의 원인 규명은 그 동안 막혀 있었던 고온 초전도 현상 규명에 새로운 전기를 마련것으로 우리나라의 초전도 연구가 세계 최고의 수준에 도달했음을 알려 주고 있다.
플루토늄(Pu)은 1941년에 인간에 의해서 최초로 합성된 원자로서 핵무기의 연료로 쓰이기 때문에 최근 북핵 문제등과 관련하여 언론에 자주 보도되어 우리에게도 잘 알려진 원자이다. 그런데 이번에 한국과 미국의 공동 연구팀의 연구 결과는 원자탄의 원료인 플루토늄이 순수 기초과학의 평화적 연구의 대상으로써 매우 중요하게 쓰일 수 있음을 보여주었다는 점에서 그 중요성을 더하고 있다.
이번에 밝혀진 플루토늄 초전도 물질은 미국 로스 알라모스 연구소의 제이 사라오 박사(J. Sarrao) 등에 의해서 2002년도에 처음 합성된 물질로 (Nature 420, p297 (2002)), 절대 온도 18.5 K에서 초전도 현상이 나타나는데, f-궤도 전자(4)로 이루어진 물질에서 이렇게 높은 온도의 초전도 현상이 나타난 것은 전혀 예측하지 못했던 발견이었다. 이제까지의 f-궤도 전자에서의 초전도현상은 씨리움(Ce) 화합물 (CeCoIn5) 에서 측정된 절대 온도 2.3 K가 가장 높은 온도였다.
한편, 1986년에 발견된 구리(Cu) 산화물을 기반으로 하는 고온초전도체는 d-궤도 전자의 초전도체로 지금까지 가장 높은 초전도 임계 온도를 가지며, 그 온도는 약 100 K (최대 135 K)나 된다. 고온초전도체의 발견은 곧 상온 (평균 대기온도, 즉 섭씨 25C 또는 절대온도 298K) 에서도 초전도가 되는 물질의 개발을 꿈꾸며 전 세계의 과학계를 뜨겁게 달구었다. 그러나 지난 20년간의 전 세계적인 연구에도 불구하고 고온초전도체의 초전도 현상은 현재까지 미해결의 문제로 남아있고 이 문제를 해결하는 물리학자는 노벨 물리학상이 보장되어있다고 말해지고 있다.
이번 연구논문에서는 플루토늄 화합물 (PuCoGa5)의 초전도 현상을 규명하면서 플루토늄 원자의 f-궤도 전자의 양자역학적 특성에 주목하여, 플루토늄 원자의 f-궤도 전자는 씨리움(Ce) 원자의 f-궤도 전자와 구리산화물의 d-궤도 전자의 중간적인 특성이 있음을 밝혀내었다. 그 결과 왜 플루토늄 초전도체에서의 초전도 임계온도가 두 화합물의 임계온도인 절대 온도 2K 와 100K 의 중간 정도인 18.5K 를 갖는 지를 성공적으로 설명하였다. 이 연구 결과는 현재 물리학의 최대 미해결 과제인 고온초전도체 현상을 규명하는데 결정적 단서를 제공하였다. 따라서 이번 연구 결과는 그 동안 답보 상태에 있던 전 세계의 고온 초전도체 연구자들을 다시 바쁘게 할 것으로 보인다.
방 교수의 이번 연구 결과는 평소의 f-궤도 전자 초전도에 대한 지속적인 연구와 최근에 발표한 “강한 자기요동에 의한 초전도 이론”에 바탕을 두었으며, 이 논문 또한 세계적인 물리학 학술지 Physical Review B에 2004년도에 발표된바 있다 (PRB 70, p104512 (2004)). 방윤규 교수의 연구 결과는 지난 20년간 응집물질물리 연구 분야의 가장 어려운 미해결 문제로 남아있는 고온초전도체 현상을 규명하는 단서를 제공했을 뿐만 아니라, 보다 근본적으로는 d-궤도 및 f-궤도 전자들로 이루어진 금속들의 양자 역학적 거동을 이해하는 통일적인 이론적 토대를 마련할 것으로 기대된다.
원자탄의 원료인 플루토늄(Pu)은 평화적 순수기초과학 연구라 하더라도, 전 세계적으로 2-3 곳의 매우 제한된 연구소에서만 취급이 허용되는 물질로 국내에서는 연구를 할 수가 없으며, 방윤규 교수는 미국 로스 알라모스 국립연구소(5)를 2년간 직접 방문하며 연구한 결과 지금 같은 쾌거를 이루게 되었다.
방교수의 초전도 연구 결과는 2001 년도 포항공대 이성익 교수팀의 Science 지에 발표한 세계 최초의 이 붕소 마그네슘의 박막 제조와 2002 년도 한국고등 과학원의 최 형준 교수에 의해 Nature 지에 발표된 이 붕소 마그네슘의 두 가지 쿠퍼쌍의 논문에 이어 한국 초전도학계의 세 번째 큰 경사이다.
포항 공대의 이성익 교수는 다음과 같이 평을 하였다. 이번 방교수의 플루토늄에서의 초전도 현상 규명은 매우 놀라운 일이다. f-궤도 전자에서의 초전도 현상 규명은 지난 20 년간 미해결의 문제로 남아있는 d-궤도 전자에서의 고온 초전도 문제 해결에 중요한 실마리가 될 것이며, 이번 방교수의 연구 결과로 초전도 이론과 응용에 크나큰 발전이 있을 것이다. 또한 북한이 플루토늄을 이용하여 원자 폭탄을 만들었다고 발표하여 한반도와 세계 평화를 위협하는 상황에서 남한의 과학자가 이 물질의 초전도 이론을 규명, 인류의 복지와 세계의 평화를 위해 사용할 수 있는 과학적 업적을 쌓았다는 점을 주목 해야 할 것이다. 단지 아쉬운 부분이 있다면 플루토늄이 국제적으로 엄격히 통제되고 있는 물질이므로 국내의 초전도 실험 학자들이 이 물질의 초전도 현상을 연구할 수 없다는 점이다. 국내의 초전도 실험 수준이 세계적이고, 원료만 확보가 된다면 우리 기술로도 이 초전도체를 제조 할 수 있는 길이 보이는데, 단지 핵무기의 재료가 되어 실험이 허락이 되지 않는 것이다.
※ 최근 국내의 초전도계에서 세계를 앞서 가는 연구 결과가 끊임없이 나오는 이유는 무엇 일까? 초전도 종사자들에 의하면 정부의 지속적 지원이 첫 번째 이유가 된다. 현재 과학기술부의 차세대초전도응용기술개발사업단 및 포항공과대학교의 창의적연구진흥사업 과제 등 초전도 연구에 집중적인 투자를 하고 있다. 또한 초전도 연구 종사자들의 끊임없는 노력이 그 두 번째 이유이다. 한 예로 본 전남대학교의 방윤규 교수, 포항공과대학교의 이성익 교수는 1993년 이후 매년 일년에 두 차례 매번 5박 6일의 초전도 계절학교를 개최하고 있다. 이 학교는 처음에는 10여명으로 시작하였지만 지금은 100여명으로 참석자가 늘었다. 이 합숙 계절학교에 참가하는 연사는 무려 일곱 시간 동안 자신이 아는 모든 것을 털어 놓아야 한다. 실력 있는 학자들도 초전도 전문가들 앞에서 모든 질문을 다 받아가면서 일곱 시간을 강의를 한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 현재 자진하여 강의를 하겠다는 연사가 끊임없이 나타나는 것으로 보아 이 분야가 얼마나 활성화가 되었는가를 알 수가 있다. 이 계절학교에서 학생 신분으로 참석했던 많은 사람들이 이미 국내 주요 대학의 교수나 국공립 연구소, 기업체등의 연구원으로 성장하여 초전도 연구뿐만 아니라 반도체 연구분야 등에서도 중추적 역할을 담당하고 있다. 이러한 예는 기초과학에 대한 지속적인 투자가 일반적인 생각보다 그 결실을 훨씬 빠르고 효율적으로 맺는다는 것을 보여주고 있다.
취재 : kwonmj@most.go.kr (권민재) | 등록일 : 2005.03.31
출처 : http://www.news.go.kr/warp/webapp/news_broad/gov_view?r=&list_op=YTo2OntpOjA7czo1OiJsc3RvcCI7aToxO3M6ODoiZ292X2xpc3QiO2k6MjtzOjE3OiJyZXNlcnZlX2RhdGVfZGVzYyI7aTozO2k6MzA7aTo0O2k6MTU7aTo1O2k6MTA7fQ%3D%3D&id=868155a9441317de8a7ba842
