하버드대학의 연구팀은 수소에 초고압을 가함으로써 '금속수소'라는 상태를 만드는 데 성공했다고 발표했다. 금속수소는 초고압을 가한 수소가 금속광택이나 도전성 등 금속 특유의 성질을 나타내게 되는 것으로, 금속수소는 상온에서 초전도체일 것으로 이론적으로 예상되고 있어서 고압물리 분야에서는 수년에 걸쳐 금속수소를 만드는 실험이 계속되고 있다. 해당 연구 논문은 과학지 'Science'에 게재되었다.
Harvard scientists announce they've created metallic hydrogen, which has been just a theory
https://news.harvard.edu/gazette/story/2017/01/a-breakthrough-in-high-pressure-physics/
Advance in high-pressure physics — Harvard Gazette
Nearly a century after it was theorized, Harvard scientists have succeeded in creating metallic hydrogen. In addition to helping scientists answer some fundamental questions about the nature of matter, the material is theorized to have a wide range of appl
news.harvard.edu
ハーバード大、「金属水素」の生成に成功 - 室温超伝導への応用に期待
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20170131-a132/
수소는 통상 수소원자 2개가 각각의 궤도 상에 있는 전자를 공유하여 결합하는 공유결합에 의해 수소분자 H2를 구성하고 있다. 이 상태의 수소는 분자간에 전자를 전달할 수 없기 때문에 전기를 통과시키지 않는 절연체이다. 그러나 수소에 매우 높은 압력을 가한 경우에는 분자끼리가 밀착되면서 분자의 공유결합이 해리되어 전자 1개를 가지는 수소원자가 빽빽히 늘어선 상태가 출현한다. 이 때 수소의 밴드구조는 금속상태가 되어 도전성을 갖는 금속수소가 된다고 생각된다.
이러한 이론 예상은 1930년대에 물리학자 유진 위그너 등에 의해 이미 이루어졌는데 위그너는 금속수소를 만드는데 필요한 압력을 25GPa(기가파스칼)로 계산하고 있었다. 25GPa은 약 25만 기압의 초고압 상태이지만 그 후의 실험에서 금속수소를 실제로 만들기 위해서는 25GPa로는 부족하고 이것을 대폭 웃도는 초고압이 필요하다는 것을 알았다. 예를 들어 로렌스 리버모어 연구소가 1996년에 실시한 실험에서는 140GPa·3000K라는 초고압·초고온 상태를 가스총의 충격파로 발생시킴으로써 액체수소가 도전성을 나타냈다고 한다. 다만 이는 충격파에 의한 순간적인 현상으로 금속수소로 보이는 상태가 지속된 것은 100만 분의 1초 이하라는 짧은 시간이었다. 오늘날의 이론에서는 금속수소로의 변화에 필요한 압력은 400~500GPa 정도일 것으로 예측되고 있다.
이번 실험에서는 고압실험에서 자주 사용되는 다이아몬드 앤빌셀(DAC)을 이용하여 저온에서 고체화된 수소분자에 초고압을 가했다. 그 결과 압력 335GPa까지는 투명했던 수소가 이 압력을 초과하면 흑색으로 바뀌었고 495GPa에 도달하자 금속광택을 나타내는 것이 확인되었다. 이 때의 반사율은 0.91이었다. 이 반사율을 바탕으로 이론모델로부터 계산한 플라즈마 진동수는 약 32.5eV(전자볼트), 캐리어 밀도는 약 7.7×10^23/㎤이어서 금속수소의 원자밀도 예측치와 일치했다. 이를 통해 연구팀은 초고압 하에서 고체 금속수소가 나타났다고 결론을 내렸다.
일반적으로 이러한 초고압을 DAC에 가하면 장치 자체가 파괴되어 버려 실험이 되지 않는다. 연구팀은 파괴 회피 대책으로서 DAC의 다이아몬드 표면 5μm를 반응성 이온에칭으로 깨끗이 깎아내고 그 후에 알루미나 박막에 의한 보호층을 만들어 수소의 진입에 의한 열화를 방지하는 등의 처리를 실시했다. 이러한 노력에 495GPa라는 초고압 조건을 실현할 수 있었다고 한다.
초고압 하에서 생성된 금속수소는 이론적으로는 준안정 상태이기 때문에 생성 후에 상온·상압으로 되돌려도 금속수소의 상태를 유지할 수 있을 가능성이 있다. 또한 금속수소가 실온 이상에서 초전도 상태를 나타내는 고온 초전도체일 가능성도 지적되고 있다.
향후 이러한 이론 예측이 실험적으로 확인되면 상온 초전도라는 꿈의 기술이 현실이 될지도 모른다. 전기저항 제로 상태에서 전류를 계속 돌리는 획기적인 에너지 저장기술과 송전망의 초저 손실화, 초전도 리니어 등의 자기부상식 이동시스템, 초고효율 전자 디바이스의 실용화 등 상온 초전도 실용화가 사회에 미치는 영향은 헤아릴 수 없다.
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