중국, 고온 초전도체 분야에서 획기적인 성과: 양자 소재 산업의 판도를 바꿀 혁신
초전도 혁명: 중국, 미래를 향한 도약
중국 과학계가 초전도체 분야에서 중요한 이정표를 세웠습니다. 쉬치쿤(Xu Qi-Kun) 서던 과학기술대학교(SUSTech) 총장이 이끄는 연구팀이 광둥-홍콩-마카오 대만구 양자 과학 센터 및 칭화대학교와 협력하여 고온 초전도체 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 2월 17일 네이처지에 발표된 연구 결과에 따르면, 니켈 기반 물질이 상압에서 초전도성을 나타낼 수 있음을 확인했습니다. 이는 구리 기반 및 철 기반 초전도체에 이어 40K 맥밀런(McMillan) 한계를 돌파한 세 번째 물질입니다.
이번 발견은 응집 물질 물리학의 가장 중요한 난제 중 하나인 고온 초전도성의 메커니즘을 해결할 수 있는 새로운 길을 제시합니다. 이러한 발전은 단순한 학문적 호기심을 넘어 에너지 전송, 의료 영상, 양자 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용을 가능하게 할 수 있습니다.
중국, 초전도성의 압력 장벽을 어떻게 극복했나
전기 전류에 대한 "에너지 손실 제로 고속도로"로 비유되는 초전도체는 1911년 발견 이후 광범위한 연구 대상이었습니다. 기존 초전도체는 극저온에서만 작동했으며, 가장 높은 임계 온도는 맥밀런 한계라고 알려진 이론적 경계인 40K로 제한되었습니다. 수십 년 동안 연구자들은 더 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 물질을 찾기 위해 노력했으며, 구리 기반 및 철 기반 화합물이 선두를 달렸습니다.
니켈 기반 초전도체는 2019년 미국 과학자들이 니켈 기반 박막에서 처음으로 초전도성을 관찰했을 때 유망한 후보로 떠올랐습니다. 그러나 임계 온도가 너무 낮아 실용적으로 사용할 수 없었습니다. 2023년, 중산대학교 연구진이 액체 질소 온도에서 니켈 기반 물질의 초전도성을 달성했지만, 대기압의 10만 배가 넘는 극단적인 압력이 필요했습니다. 이러한 고압 조건은 인상적이지만 상업적 실현 가능성을 제한했습니다.
쉬치쿤이 이끄는 중국 연구팀은 *고산화 원자층 에피택시(highly oxidative atomic layer epitaxy)*라는 새로운 합성 기술을 통해 이 문제를 해결했습니다. 이 기술은 물질의 구조를 정밀하게 제어할 수 있게 해주었습니다. 연구진은 원자 수준으로 얇은 박막을 설계하고 계면 공학을 통해 안정화함으로써 외부 고압 환경 없이도 초전도성에 필요한 고압 조건을 재현하는 데 성공했습니다. 또한, 40K가 넘는 임계 온도에서 니켈 산화물 박막의 초전도성을 유도하는 데 성공했습니다.
연구팀은 초전도 상태를 확인하기 위해 광범위한 전자기 수송 측정(electromagnetic transport measurements)을 수행하여 제로 전기 저항과 마이스너 효과(Meissner effect)를 확인했습니다. 이러한 결과는 추가적인 최적화를 통해 니켈 기반 초전도체가 액체 질소 범위(77K)에 도달하여 실용적인 응용 분야를 획기적으로 향상시킬 수 있음을 시사합니다.
글로벌 초전도체 경쟁: 누가 차세대 기술의 선두 주자가 될 것인가?
고온 초전도체를 이해하고 활용하기 위한 경쟁은 오랫동안 국제적인 경쟁의 장이었습니다. 특히, 미국 스탠퍼드 대학교의 연구진도 비슷한 시기에 유사한 결과를 보고했습니다. 미국과 중국 연구팀의 동시 발견은 니켈 기반 초전도체의 잠재력을 실현하기 위한 전 세계적인 노력이 얼마나 치열한지를 보여줍니다.
중국 연구팀의 연구가 돋보이는 점은 국내에서 개발한 실험 장비에 전적으로 의존했다는 것입니다. 자체적인 고산화 에피택시 기술을 발전시킴으로써 고품질 박막을 생산했을 뿐만 아니라 초전도체 재료 연구에서 중국의 장기적인 독립을 위한 기반을 마련했습니다. 초전도체는 차세대 에너지 그리드, 초고속 컴퓨팅, 양자 기술 발전의 핵심이기 때문에 이는 매우 중요한 전략적 이점입니다.
연구실을 넘어: 이번 획기적인 발전이 산업을 어떻게 재편할 수 있을까
1. 전력망 혁명: 에너지 손실 제로 시대가 눈앞에
초전도체는 전기 저항을 제거하여 에너지 전송 방식을 혁신할 잠재력이 있습니다. 현재 전기의 상당 부분이 전송 중에 열로 손실됩니다. 더 높은 임계 온도를 가진 초전도체를 전력망에 통합할 수 있다면 광대한 거리에서 손실 없는 에너지 전송이 가능해져 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다. 스마트 그리드 기술, 고전압 직류(HVDC) 시스템 및 에너지 인프라에 투자하는 투자자들은 이러한 발전에 주목해야 합니다.
2. 양자 컴퓨팅의 다음 도약: 비용 절감 및 확장성 향상
초전도체 재료는 고감도 큐비트 생성을 가능하게 하는 양자 컴퓨팅의 기본 요소입니다. IBM, Google, 중국의 Alibaba 및 Baidu는 초전도 양자 컴퓨터에 적극적으로 투자하고 있습니다. 안정적인 고온 초전도체는 냉각 비용을 절감하고 양자 프로세서의 확장성을 향상시켜 양자 컴퓨팅을 상업적으로 더욱 실현 가능하게 만들 수 있습니다.
3. 첨단 의료 영상 장비 가격 인하
자기 공명 영상(MRI) 장비는 강력한 자기장을 생성하기 위해 초전도 자석에 의존합니다. 현재 이러한 장비는 초전도성을 유지하기 위해 값비싼 액체 헬륨 냉각 시스템이 필요합니다. 니켈 기반 초전도체가 더 높은 임계 온도를 달성할 수 있다면 MRI 시스템 가격이 훨씬 저렴해져 소규모 병원과 심지어 농촌 의료 센터에서도 첨단 의료 진단을 이용할 수 있게 될 것입니다.
4. 초전도체와 미래 반도체 산업
중국의 획기적인 발전은 반도체 산업에 심오한 영향을 미칠 수 있습니다. 초전도체 재료는 초고속 논리 회로 및 차세대 반도체 장치에 사용될 수 있습니다. 글로벌 반도체 공급망의 긴장이 고조되는 가운데, 중국의 이러한 분야에서의 성공은 첨단 재료 과학 분야에서 입지를 강화하고 국내 칩 제조 역량에 대한 투자를 촉진할 수 있습니다.
다음 단계는? 초전도체 기술의 과제와 미래
이번 획기적인 발전은 중요한 진전이지만 실용적인 응용 분야가 현실화되기 전에 해결해야 할 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 첫째, 임계 온도인 40K는 인상적이지만 광범위한 산업적 사용에 필요한 액체 질소 임계값(77K)보다 여전히 낮습니다. 이 한계를 높이기 위한 추가 연구가 필요합니다. 또한 고품질 니켈 기반 초전도체의 생산 규모를 늘리려면 새로운 제조 기술과 비용 효율적인 합성 방법이 필요합니다.
그럼에도 불구하고 잠재적인 보상은 상당합니다. 상압에서 초전도체를 만들 수 있는 능력은 고압 합성의 한계로 인해 이전에는 불가능했던 새로운 응용 분야를 열어줍니다. 또한 이 연구는 응집 물질 물리학의 미해결 문제인 고온 초전도성의 기본 메커니즘을 조사하기 위한 새로운 실험 플랫폼을 제공합니다.
초전도 시대의 서막인가?
상압 니켈 기반 초전도체의 중국 성공적 합성은 단순한 과학적 이정표 그 이상입니다. 이는 초전도체 연구의 새로운 장의 시작을 알립니다. 손실 없는 에너지 전송, 향상된 양자 컴퓨팅 및 비용 효율적인 의료 영상의 잠재력은 이번 발견의 광범위한 영향을 강조합니다. 글로벌 무대에서 경쟁이 치열해짐에 따라 고온 초전도체를 향한 경쟁은 에너지, 컴퓨팅 및 재료 과학의 미래를 만들어갈 것입니다.
연구자들에게는 응집 물질 물리학의 중추적인 순간입니다. 투자자에게는 전체 산업을 재정의할 수 있는 기술적 최전선을 활용할 수 있는 드문 기회입니다. 이번 획기적인 발전이 실용적이고 상업적으로 실행 가능한 응용 분야로 이어질지, 아니면 다음 도약을 기다리는 학문적 호기심으로 남을지는 향후 몇 년이 중요할 것입니다.