전자 초유체 이론
이석배-김지훈이 주로 기여한 논문에서 주장하고 있는 가설이다.
전자의 흐름은 유체와 같고, 저항은 유체의 점성과 같으며, 특정 조건에서 액체와 같이 움직이던 전자의 흐름이 초유체처럼 상전이할 때 전자들이 집단 진동을 갖게 되며 한 쪽 끝에 전자가 유입되면 다른쪽 끝으로 밀려나는 연쇄적인 이동이 저항 없이 일어나며 초전도 현상이 나타난다는 이론이다.
LK-99
연구진들이 임계온도 127도(400K) 이하의 상온에서 초전도 현상을 보인다고 주장했다.
LK-99는 상온 초전도체로 추정되는 물질로, 겉으로 보기에는 회흑색을 띤다. LK-99는 납-인회석 구조에 소량의 구리가 도핑된 변형된 육방정계 구조를 가지고 있다.연구팀은 LK-99가 상압 400 K (127 °C) 이하의 온도 환경에서 초전도체의 성질을 보인다고 주장한다.
2023년 8월 1일 기준 LK-99는 아직까지 초전도 성질이 확인되지 않았다. LK-99의 합성과 초전도 현상의 확인은 동료평가를 거치거나 독립된 타 연구팀이 재현하지 못했다. LK-99가 상온 초전도체라는 발견팀의 주장은 널리 공유되었으나 주류 과학계에서는 그 주장이 매우 특이한데 비해 발표 논문은 여러 오류와 기존 논문의 수치와의 너무 큰 차이 등으로 회의적인 반응을 보였다. 독립적인 여러 연구팀이 한국 연구팀의 발견을 재현하려 시도하고 있다.
LK-99의 화학식은 Pb9Cu(PO4)6O으로, 순수한 납-인회석(Pb10(PO4)6O)과 비교하면 인회석 구조의 2번 위치의 1/4 가량이 Pb(II) 이온 대신 Cu(II) 이온으로 치환된 형태이다.
합성
산화 납(II)(PbO)과 황산 납(II)(Pb(SO4)) 분말을 1:1의 분자비로 혼합한 후 725 °C (1,000 K)의 온도에 24시간동안 구워 라나카이트를 제조한다. 논문의 본문에서는 공기 중에서 굽는다고 설명했으나, 논문의 그림에서는 진공 속에서 굽는다고 표기되어 있다. 때문에 정확한 제조 환경은 알 수 없다.
PbO + Pb(SO4) → Pb2(SO4)O
여기에 구리(Cu)와 인(P) 분말을 3:1의 분자비로 혼합한 후 진공 상태의 밀폐된 튜브 내에서 550 °C (820 K; 1,000 °F)의 온도에 48시간동안 구워 인화 구리(I)(Cu3P)를 제조한다.
Cu + P → Cu3P
라나카이트와 인화구리 결정을 다시 분말 형태로 분쇄하여 진공 상태의 밀폐된 튜브 내에서 925 °C (1,200 K; 1,700 °F)의 온도에 5-20시간 동안 구워 LK-99를 제조한다.
Pb2(SO4)O + Cu3P + O2 (g) → Pb10-xCux(PO4)6O + S (g), 여기서 (0.9 < x < 1.1)
LK-99에 대한 반응
미국 메릴랜드대 응집물질이론센터(CMTC)는 9일 SNS에서 "앞서 지적했듯이 (LK-99의) 플랫밴드는 초전도가 아니라 자기 불안정성을 유발하는 것으로 보인다"며 "이것이 ICQM(중국 베이징대 국제양자물질센터)에 이어 프린스턴대 연구에서도 검증됐다"고 밝혔다.
플랫밴드(flatbands)는 반도체의 밴드 다이어그램에서 전압 강하가 없는 수평 부분을 의미하는 것으로, 앞서 LK-99에 플랫밴드 구조가 있을 것이라는 분석이 나오면서 LK-99가 초전도체일 가능성을 시사하는 요인 중 하나로 해석했다.
미국 프린스턴대와 스페인 도노스티아 국제물리센터(DIPC), 독일 막스플랑크 고체 화학물리연구소 등이 참여한 국제연구진은 논문에서 "LK-99는 상온·상압 초전도체라기보다는 자석일 가능성이 크다"고 밝혔다.
연구팀은 "LK-99가 상온·상압 초전도체 후보로 제시됐지만 실험적, 이론적 관점에서 이런 주장은 대부분 근거가 없다"며 "(검증을 위해) LK-99 샘플을 합성하고 분석한 결과 이 물질은 고온 초전도성을 나타내지 않는 '다상 물질'(multiphase material)로 드러났다"고 밝혔다.
이들은 자체 합성해 얻은 4가지 구조의 LK-99에 대해 위상구조와 양자기하학 등 다양한 분석을 한 결과 이 물질이 가진 물리적 특성은 초전도 같은 초유동성 현상을 일으킬 수 없고 대신 저온에서 강자성을 띨 가능성이 있다고 설명했다.
이어 이 실험 결과는 LK-99가 초전도체가 아닐 가능성을 강력히 시사하는 것으로, 애초 보고된 구조가 잘못되었거나 초기 계산과 구조는 맞지만 초전도체가 되지 않는 상태가 된 것일 수 있다며 우리의 예비 실험과 구조 해석은 LK-99가 초전도체가 아닌 강자성 다상 물질일 가능성이 크다는 것을 시사한다고 덧붙였다.
현재까지 보고된 해외 LK-99 관련 발표들 중에 초전도성을 확증한 결과는 없다. 중국 화중과학기술대 연구팀이 성공했다고 올린 영상과 논문은 전기저항이 0인지 입증하지 못했다고 스스로 밝혔고, 미국 로런스 버클리 국립연구소 등이 시뮬레이션으로 초전도 가능성을 논의한 결과를 내놓긴 했지만 이론이 없어 검증에 한계가 있다. 네이쳐에서도 비슷한 주장을 담은 기사를 실었다.
네이쳐는 Claimed superconductor LK-99 is an online sensation - but replication efforts fall short 라는 제목의 기사를 실었다. 작성자인 과학기자 댄 가리스토는 초전도성에 대한 직접적인 증거를 대지 못했으며, 연구자들은 심히 회의적이라고 밝혔다. 또한 이 물질의 실제 특성이 무엇진지에 대한 의문은 여전히 남아있다고 전했다.
현재 한국초전도저온학회 검증위원회가 LK-99에 대한 재현 실험을 진행하는 가운데, 국가연구소인 한국표준과학연구원도 LK-99에 대한 검증을 진행중이다.
이긍원 고려대 디스플레이반도체물리학부 교수는 “초전도체의 여부와 상관없이 LK-99가 상온에서 저항이 떨어지는 화합물인건 흥미로운 지점이며, 만약 초전도가 아니라고 할지라도 나중에 초전도로 가는 길을 만들어 줄 수도 있다는 생각을 한다”고 말했다.
국제 학술지 네이처가 LK-99는 상온 초전도체가 아니라는 기사를 실었다.
초반에는 LK-99가 초전도체가 아니라는 확증이 나오지 않았지만, 이후 수십건의 검증으로 전문가들이 LK-99가 상온 초전도체가 아니라고 자신하고 있다.
미국과 유럽 연구진이 LK-99는 구조상 초전도 현상을 나타낼 수 없다는 실험과 이론적 증거를 제시했다.
이후 미국의 과학자가 LK-99가 초전도성과 유사한 현상을 보인 이유는 불순물 때문으로 보인다고 보고했다.
LK-99 한개가 합성될 때마다 17개의 구리와 5개의 황이 남게 돼 항화구리 등의 불순물이 나온다.
황화구리가 상전이를 일으키는 온도가 104도인데 이는 한국 연구진이 주장한 초전도체의 상전이 온도와 유사하다.
결정적인 검증은 독일 막스플랑크 연구소에서 나왔다.
연구진은 LK-99 합성 시 불순물이 전혀 들어가지 않도록 하는 방식으로 순수 LK-99를 만들었다며, 보라색의 투명 결정을 공개했다.
해당 결정을 검증한 결과 LK-99는 초전도체가 아니라, 저항이 너무 커 전도성을 측정할 수도 없는 절연체라고 보고했다.
또 LK-99가 미약한 강자성, 반자성을 보이지만 자기장에서 부분적으로 뜨기에도 부족한 세기이며, 초전도 현상은 일어나지 않는다고 결론을 내렸다.
앞서 LK-99제조법이 공개된 이유 소셜미디어를 통해 LK-99를 합성했다며 공중에 뜬 금속 영상이 여러 건 공개되었다.
하지만 네이처는 정작 LK-99를 실제로 합성한 과학자 사이에선 자기장에서 뜨는 현상이 전혀 관찰되지 않았다고 밝혔다.
한 호주 과학자는 여기서 상황이 달라질 수 있는 건 한국 연구팀이 직접 LK-99 샘플을 제공할 때만 가능한 일이라고 평가했다.
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