KIMS 해외단신 113호 (2012.02.24)

고온초전도물질 ‘자속입자 자물 핀’ 3차원 관찰

    일본 마이나비뉴스 2012년 2월 21일자 기사에서는 일본 동북대학과 이화학연구소(이연)의 연구팀이 고온초전도물질의 ‘자속양자’가 석출물로 고정되어 있는 모습을 3차원으로 관찰하는데 성공했다고 밝혔다.

    다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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   동북대학과 이화학연구소(이연)는 2월20일, 최신 ‘전자선 홀로그래피’ 기술에 의한 자장의 관찰과 주사이온현미경을 이용한 ‘석출물’(액체내에서 고체가 생성되는 ‘석출’에 의해 나타난 물질)의 3차원 관찰을 조합해 ‘고온초전도벌크재료’ 주위의 자속분포를 관찰하여 ‘자속양자’가 석출물에 ‘자물 핀(로킹 핀)’(자속이 초전도체 내부에 있는 변형 및 불순물에 포착되어 핀으로 고정된 것처럼 움직이지 못하는 현상으로 자속의 이동에 동반하는 전기저항의 발생을 억제하면서 중요한 역할을 한다)되어 있는 모습을 3차원적으로 관찰하는데 성공했다고 발표했다. 이번 연구는 동북대학다원물질과학연구소와 이화학연구소의 공동연구 결과이며 관련 성과는 미국 응용물리잡지(인터넷판)에 2월 9일 게재되었다.

   전자선 홀로그래피기술은 전자의 파동성을 이용해 시료 내외의 전자장정보를 홀로그램의 디지털데이터로 기록하고 컴퓨터해석을 통해 전자장의 분포를 나노스케일로 가시화할 수 있는 전자현미경법이다. 또한 초전도체에 자장이 침입할 때 그 주위를 환류하는 초전도전자대의 궤도는 양자화조건을 만족해야해 지속적인 값을 얻을 수 없다. 그리고 고온초전도벌크재료로는 급냉 및 용융, 방향응고 등의 프로세스를 거쳐 제작되는 괴상의 초전도재료를 이른다. 배향한 초전도체결정 안에 비초전도물질을 미세하게 분산시킨 재료조직을 가질 수 있으며 그 결과 제로저항으로 높은 전류를 흘리거나 영구자석보다도 강한 자석으로 활용할 수 있다는 특징을 가진다. 이 벌크 초전도재료의 내부에 분산시킨 비초전도의 석출물에 자속이 자물 핀되어 있는 경우가 많아 ‘임계전류밀도’(임계온도, 임계자장과 함께 초전도의 기본특성을 나타내는 3요소 중 하나로 초전도체에 저항제로로 흘릴 수 있는 최대의 전류밀도라고 하는 실용상 중요한 값)를 얻을 수 있다고 생각되어 왔지만 이번 연구는 그 모습을 실제로 직접 관찰한 것이다. 더욱이 이번 고온초전도벌크재료의 시료는 신일본제철이 개발한 Y(이트륨)계 산화물 고온초전도벌크재료 ‘YBa₂Cu₃Oy’로 내부에 미세한 비초전도상 ‘Y₂BaCuO₅’이 분산되어 있다. ‘집속이온빔법’으로 2μm×2μm×20μm인 네모기둥모양의 시료가 제작되었다. 집속이온빔법은 최근 전자현미경으로 관찰하기 위한 시료를 만들 때 많이 이용되고 있는 가공기술이다. 가속전압 30kV 정도의 조건에서 Ga 이온빔을 집속시켜 시료에 조사ㆍ주사시키는 것으로 금속, 반도체, 세라믹 등 다양한 시료를 정밀하게 고속으로 가공 및 박막화할 수 있다.

   이번 실험에서는 시료 YBa₂Cu₃Oy를 0.01T의 자장에서 12K(-261℃)까지 냉각해 그 후에 자장을 잘라 13K(-260℃)에서 전자선 홀로그래피기술로 자장의 분포를 관찰했다. 자장의 강도를 해석해본 바 원호모양의 콘트라스트가 한 개의 자속양자에 대응하고 있다는 사실이 판명되었다. 연구팀은 이 자속양자가 시료 측면에서 발생하고 있는지를 명확하게 하기 위해 시료를 각각 52°만 좌우로 회전시켜 ‘주사이온현미경’으로 관찰했다. 주사이온현미경은 Ga이온빔을 수나노미터에서 수백나노미터로 집속시켜 시료표면을 주사시키면서 시료에서 방출되는 2차전자의 강도분포를 동시에 발생시켜 2차원으로 출력하는 방식이다. 원자번호의 차이 등에 따른 2차전자의 방출량이 달라 서로 다른 구성을 관찰 할 수 있다.

   주사이온현미경에서는 석출물로 비초전도상이 어둡게 비추어졌으며 자속양자는 이 비초전도상을 통과하고 있다. 다시 말해 비초전도상에 자속양자가 자물핀되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이렇듯 전자선의 홀로그래피를 통한 자장의 관찰과 주사이온현미경에 의한 석출물의 3차원 관찰을 합쳐 자속양자와 석출물의 위치관계를 처음으로 해석할 수 있었다.

   이러한 초전도벌크재료는 영구자석보다 5배 강력한 자석인 ‘벌크자석’ 등 다양한 응용개발이 진행되어 있어 향후 비초전도 석출물의 크기와 밀도에 변화를 주었을 때의 조직과 자속분포를 대응시키는 것이 가능해져 실용화가 기대된다.
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