우리는 초전도의 메카니즘을 잘 알고 있지 않다

특정 물질을 극저온 상태로 냉각하면 전기저항이 사라지고 높은 전도성을 가진 '초전도'라는 상태가 되는 것으로 알려져 있습니다. 초전도는 리니어 모터카나 MRI 등에 응용되고 있는데 실은 물질이 도전성을 획득하는 메카니즘을 설명할 수 있는 간단한 이론은 발견되지 않았습니다. 미시간대학의 연구팀은 새롭게 슈퍼컴퓨터를 이용해 종래의 이론으로 초전도를 설명할 수 있는 것은 알려진 물질의 50%라는 결과를 도출했습니다.

Mechanism of superconductivity in the Hubbard model at intermediate interaction strength | PNAS
https://doi.org/10.1073/pnas.2205048119

Quantifying the role of antiferromagnetic fluctuations in the superconductivity of the doped Hubbard model | Nature Physics
https://doi.org/10.1038/s41567-022-01710-z

U-M researchers untangle the physics of high-temperature superconductors | University of Michigan News
https://news.umich.edu/u-m-researchers-untangle-the-physics-of-high-temperature-superconductors/

U-M researchers untangle the physics of high-temperature superconductors

초전도라는 물리현상은 1900년대 초반에 발견되어 그 후 1950년경에 역방향의 스핀을 가지는 전자끼리에 인력(쿠퍼쌍)이 생기는 것으로 인해 전류가 자유롭게 왕래할 수 있게 된다는 초전도의 메커니즘을 설명하는 이론이 나왔습니다. 그러나 이 이론이 적용되지 않는 비교적 고온에서 초전도성을 획득하는 물질이 여럿 발견되고 있고 모든 물질에 있어서의 초전도를 설명할 수 있는 이론은 아직 확립되어 있지 않습니다.

미시간대학의 연구팀에 따르면 초전도의 메커니즘을 설명하기 위해서는 전자와 스핀의 상호작용을 알아야 한다는 것. 연구팀은 실제로 상호작용을 추구하기 위한 모델을 도출하고 슈퍼컴퓨터를 이용하여 전자와 스핀의 상호작용을 조사했습니다.

슈퍼컴퓨터를 이용한 조사 결과에서는 알려진 물질의 약 50%에는 역방향의 스핀을 가지는 전자에 의해 도전성을 획득한다는 기존의 이론이 적용되었다고 합니다. 한편 나머지 약 50%의 물질은 이 이론으로는 설명할 수 없었고 '전하의 흔들림'이 영향을 주고 있을 가능성이 나타났습니다.

연구팀은 "초전도의 메커니즘을 설명하는 하나의 단순한 이론이 존재할 이유가 없다"며 "놀랍게도 기존의 이론은 상당한 물질에 적용되지만 전부는 아니다”라고 설명했습니다. 또한 이번 연구결과가 초전도의 메커니즘 규명에 도움이 될 것으로 전망했습니다.