노벨상의 노다지, 초전도체(4)

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II. 2단계(1957〜1986)

2단계를 약 30년으로 잡는 것은 충분한 이유가 있다.

우선 이 기간 동안 초전도체 연구는 다소 답보된 상태로 진행된다. 물론 BCS 이론은 여러 학자들에 의해 양자장론(quantum field theory)으로 확장되었다. 이를 통해 고체내의 복잡한 포논 동력학을 포함할 수도 있고, 불순물에 의한 산란 효과 등도 편리하게 계산할 수 있다. 특히 컴퓨터의 비약적인 발전으로 임계온도나 포논 스펙트라 등의 실험데이터를 정확하게 맞출 수 있게 진전되었다. 한편, BCS wave function 안에 숨어있는 중요한 구조와 새로운 의미를 발견하기도 하였다.

필립 워런 앤더슨(1923~2020) 1977년 노벨 물리학상

1960년에 P.W. 앤더슨 박사 등이 초전도체의 반대칭성 문제 등을 순전히 수학적 확장으로 제시했다. 그런데 1972년에 미국 코넬 대학교의 로버트 리처드슨 박사가 동대학의 데이비드 M. 리와 대학원생 더글러스 D. 오셔로프와 함께 헬륨-3의 초유동성을 발견했다. 이들 세 명은 1996년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

로버트 리처드슨(Robert C. Richardson), 오셔로프(Douglas D. Osheroff), 데이비드 리(David M. Lee)

임계온도를 올리기 위해 BCS 이론에 근거한 가장 단순한 방법으로, 수소를 높은 압력을 가하여 고체로 만드는 연구가 구 소련에서 계속 진행되었다. 수소는 가장 가벼운 원소로 일단 고체화에 성공하면, 매우 높은 포논 에너지를 가지므로 전자간의 매우 강한 포논 상호작용을 제공함으로써 높은 초전도 임계온도를 달성할 것으로 기대되었다.

그러나 현재까지 이 방향에서 큰 진전은 나오지 않았다.

학자들의 수많은 연구에도 불구하고 임계온도가 20K 약 영하 250도 정도에서 답보상태를 보이자, 학자들은 아마도 지구상에 존재하는 물질의 조건상 초전도 임계온도는 최대 30K 정도를 넘을 수 없을 것이라는 생각하기 시작했다.

 

III. 3단계(1986〜현재)

초전도 현상을 나타내는 온도가 높이 올라갈수록 실용성이 높아지는 것은 당연한 일이므로 고온초전도체에 대한 연구가 세계 각지에서 이루어졌다. 여기에서 고온 초전도체란 일반적으로 23°K 이상에서 초전도성을 나타내는 것을 말한다.

1986년부터 3단계로 설명하는 것은 1986년에 그야말로 놀라운 결과가 발표되었기 때문이다. 스위스의 베드노르츠(J. Georg Bednorz)와 뮐러(Karl Alex Müller)는 Ba-La-Cu-O산화물인 세라믹이 173°K 에서 실온의 금속과 같은 전기 전도도를 보인다는 것을 발견했다. 곧바로 연구가 급진전되어 Ba/La비율을 하나씩 바꾸어 가면서 전기 저항을 측정하니 냉각시키는 도중에 금속과 같은 성질이 감소하더니 다시 더 온도를 내리자 금속의 성질이 다시 회복되기 시작했다. 그리고 30°K 근처에서 저항이 급격하게 감소하더니 11°K에서 0이 되었다. 이 온도는 당시 알려져 있던 금속 간 화합물 Nb3Ge 초전도체의 한계온도인 20K보다 10도나 높은 것이다. 이 초전도체를 도자기처럼 구워서 만드는 것이라고 하여 ’세라믹스 초전도체‘라고 부른다.

베드노르츠와 뮐러는 1987년 노벨 물리학상을 수상했는데 이는 연구 논문이 발표된 바로 다음해에 노벨상을 수상한 초특급 수상 기록이다. 원래 노벨상위원회는 신중에 신중을 기하여 연구 업적이 상을 받기에 충분하다는 평가가 완전히 확정될 때까지 쉽게 결정을 내리지 않는다.

그런데 노벨위원회가 이례적이라고 할 만큼 매우 신속하게 움직여 연구 성과를 발표한 지 불과 18개월 만에 노벨상을 수상했는데 그 이유는 베드노르츠의 세라믹 초전도체의 발견이 100년에 한 번 있을까 말까한 대발견이라는 평가를 받았기 때문이다. 그들이 이와 같이 파격적인 평가를 받은 것은 초전도상태가 극저온에서만 나타나는데 무려 10도나 높은 고온에서도 초전도성을 나타내는 물질을 발견했으므로 전세계가 열광한 것이다.

그들의 논문이 발표되자마자 전세계 수백 개의 연구소가 고온초전도체에 대해 연구를 시작하는 등 선풍을 일으켜 1987년 5월 시사주간지 <타임지>의 표지로 등장할 정도였다.

고온초전도체에 대한 연구는 봇물을 이루어 1987년 초에는 뮐러와 베드노르츠가 실현한 절대온도 35K보다 훨씬 높은 절대온도 93K(영하 180도)에서 초전도상태가 실현되었다. 초전도에 관한 연구가 이렇게 전세계적으로 급속하게 확산되자 노벨위원회가 매우 신속하게 움직여 1987년 노벨상 수상자로 선정한 것이다.

카를 알렉산더 뮐러(1927~)1987년 노벨 물리학상

뮐러는 1927년 스위스에서 태어나 오스트리아에서 자랐지만 다시 스위스로 어머니와 함께 돌아왔고 11살에 어머니가 사망했다. 뮐러는 산악마을인 쉬어스에서 고등학교를 졸업하고 1946년 스위스연방공과대학 물리수학부에 입학했다. 이때 수많은 학생들이 물리수학부에 입학했는데 그가 입학하기 직전에 원자폭탄이 히로시마와 나가사키에 떨어져 많은 주목을 받았기 때문이다. 1963년 대학교를 졸업한 후 스위스 취리히에 있는 IBM취리히연구소에 입사했고 10년 후 물리부부장이 되었으며 미국의 IBM연구소에서 초전도 연구를 시작했으므로 상당히 늦게 이 분야에 입문한 셈이다.

그러나 그의 눈썰미는 남달랐다. 당대의 학자들은 산화물 속에는 일종의 준입자(폴라론)이 있다고 추측하고 있었는데 그는 전기전도체를 만들 때 폴라론을 고려하면 더욱 뛰어난 초전3도체를 만들 수 있을지 모른다고 생각했다. 다시 말하자면 산화물에서는 초전도현상이 일어나지 않고 금속에서만 일어난다고 생각하고 있었는데 그는 그야말로 대담한 발상을 한 것이다. 실제로 산화물은 통상적인 조건 하에서는 거의 또는 전혀 전류가 통하지 않는다.

어느 정도 자신의 가설에 자신이 생긴 뮐러는 1983년 그의 제자로 IBM연구소에서도 같이 근무했던 베드노르츠를 찾아가 함께 연구를 하자고 했다. 베드노르츠가 곧바로 응락했음은 물론이다.

요하네스 베드노르츠(1950~)1987년 노벨 물리학상

베드노르츠는 1950년 독일 노르트라인베스트팔렌주 노이엔키르헨에서 태어났다. 가족은 제2차 세계대전 때 서로 뿔뿔이 흩어졌는데 전쟁이 끝날 무렵 모친과 세 자녀는 동독에서 서독으로 탈출했다. 1949년 양친은 다시 만났고 그 이듬해 베드노르츠가 태어났다. 부모는 그가 음악에 관심을 갖도록 유도했지만 그는 귀담아 듣지 않고 학교에서 과학에 흥미를 느꼈는데 물리학보다 화학을 선호했다. 1968년 독일의 명문 뮌스터대학에 진학했고 화학을 전공했지만 결정구조해석으로 방향을 돌렸다.

뮌스터대학을 졸업한 베드노르츠는 스위스연방공과대학에서 뮐러 교수의 지도를 받으며 박사학위를 받았고 1982년 IBM취리히연구소에 입사했다. 베드노르츠의 제안을 받은 뮐러는 비밀리에 연구하기로 했다. 뮐러는 추후에 자료들을 테이블 밑에 두고 누구에도 이야기하지 않았는데 그것은 그들의 연구 내용을 알기만하면 소문이 쉽사리 퍼질 것으로 생각했기 때문이다. 그들은 연구대상을 산화물로 압축하여 실험을 계속했는데 관건이 되는 물질 즉 티탄산스트로튬 결정입자에서 산소를 아주 조금만 제거해 초전도체를 만들었다. 그러나 전이온도가 너무 낮아 만족스러운 결과를 얻지 못했다.

베드노르츠는 80종류 이상의 화학물을 합성해 분석했다. 모두 구리와 희토류를 포함하는 산화물이었는데 그들은 1986년 마침내 혁신적인 물질을 발견했다. 단 3년의 연구로 세계를 놀라게 하는 결과를 얻었는데 사실 그들처럼 행운아도 많지 않았다. 그들이 찾은 바륨-란탄-구리 산화물은 당시 초전도현상을 일으킬 수 있는 임계온도 12K보다 무려 23K가 높은 35K(영하 238도)였다.

폴 케이 추(1941~)

그들은 논문을 1986년 4월에 독일의 <물리학저널>에 발표했는데 처음에는 과학계에서 별로 주목하지 않았다. 그런데 휴스턴대학 교수인 폴 추(Paul Chu)가 뮐러와 베드노르츠의 실험결과를 확인했다. 더구나 1987년 추 교수는 이트륨(Y), 바륨, 구리, 산소를 결합한 물질(이브코, YBCO)로 93°K에서 초전도성이 일어나게 하는데 성공하여 세계 물리학계에 엄청난 충격을 주었다. 이들의 발견은 초전도 연구의 역사를 바꾸었고, 이후 고온 구리초전도체 연구라는 새로운 시대를 열었다.

여기에서 이들의 중요성은 드디어 77°K를 뛰어 넘었다는 것이다. 이 온도는 냉각제로서 액체 헬륨 대신에 값싼 액체 질소를 사용할 수 있기 때문에 실용적으로 매우 중요하다. 액체 헬륨은 1리터에 몇 만원 단위이지만 액체 질소는 몇 백 원 단위이기 때문이다. 77°K는 비행기의 개발에 있어 음속의 벽을 깨트린 것으로 비유할 수 있다. 다시 말해서 77°K가 모든 저온 물질의 효용성을 판단하는 척도로 초전도를 연구하는 학자들이 77°K 이상의 초전도체 개발에 열중하는 이유이다.

당시 연일 New York Times 와 같은 대중 매체들 조차 새로운 초전도체 연구에 대한 놀라운 진행에 관하여 보도하였고, 조만간, 세상은 상온 초전도 물질을 손에 넣을 것 같은 희망으로 부풀었다.

앨런 제이 히거(1936~) 2000년 노벨 화학상

추 교수의 발표는 고온초전도체의 광범위한 이용에 물꼬를 텄다는데 중요성이 있다. 이후 고온초전도체에 대한 연구는 전세계로 파급되어 미국의 앨런 히거는 희토류 원자와 크기가 비슷한 탈륨 원자를 사용한 세라믹으로 80°K에서 초전도성을 얻었다. 처음에 사용된 것은 구리, 바륨, 탈륨의 산화물이었는데 여기에 칼슘을 포함시켰더니 105°K에서 초전도성을 얻었다. 이것은 100°K를 깬 최초의 물질로서 125°K에서 초전도성을 나타내는 세라믹도 발견되었으며 1993년 산화구리를 이용한 HgBa2Ca2Cu3Ox이 134K까지 올라갔다.

당시 전세계에서 이들의 결과에 환호하여 <뉴욕타임스>를 비롯한 세계 주류 언론매체들이 연일 이들의 놀라운 연구에 대해 보도하였고 조만간, 상온 초전도 물질이 발견될 것이라는 희망을 이어갔다. 과학자들은 200°K까지 온도가 올라가기를 기대하고 있지만 아직 그런 결과는 나오지 않았다.

그런데 여기에서 매우 흥미로운 비하인드 스토리가 벌어진다.

1987년 노벨물리학상에서 당연히 포함되어야 할 휴스턴 대학의 폴 추(Paul Chu) 교수가 제외된 것이다. 이유는 추 교수가 노벨상을 의식하여 언론 플레이와 논문을 의도적으로 가필하다가 역공을 받았다는 것이다.

그는 논문에서 YBCO의 화학식을 기록할 때, 의도적으로 YBa2Cu3O7에서 Y(이트륨)를 Yb(이터븀)으로 표기한 것이다. 이는 YBCO의 제법 자체가 그렇게 어렵지 않다고 판단한 추교수가 논문 심사 중에 다른 연구팀이 이를 만들어 이들의 논문이 먼저 통과되어 버리면 추 교수의 선취권이 허사가 될 우려가 있기 때문이다.

그러므로 그는 언론사들에게 자신의 의도적 가필을 숨긴채 언론 플레이를 했다.

이것이 결국 도덕성 문제로 제기되어, 그가 당연히 1987년 노벨상 시상대에 올라야하지만 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러 교수만 받았다는 것이다.

물론 폴 츄 교수의 YBCO 물질은 액체 질소로 구현되는 첫 물질이라는 점에서 역사적으로 큰 의미가 있는 대발견으로 평가된다. 여하튼 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러 박사의 전격적인 노벨상 수상은 그만큼 과학계에서 중요성을 인정받았기 때문으로 노벨상 추천문을 보아도 달 수 있다.

 

<1987년 노벨상 추천사>

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

올해의 노벨 물리학상은 게오르크 베드노르츠 박사와 알렉산더 뮐러 교수에게 세라믹 물질에서의 초전도성에 대한 중요한 돌파구를 연 공로로 수여되겠습니다. 이 발견은 채 2년이 되지 않은, 최근에 이루어진 발견이지만 전례없이 전 세계적인 연구와 개발의 자극제가 되었습니다. 올해의 노벨 물리학상 수상의 연구 주제는 저항에 의한 손실없이 전기를 전달할 수 있으며 자신으로부터 자기력선을 밀어내는 초전도체에 관한 발견입니다.

상식적으로 생각하면 움직이는 물체는 마찰의 형태로 저항을 느끼게 됩니다. 저항은 유용할 때도 있지만 종종 원치 않는 경우도 있습니다. 만약 마찰이 없어 속도가 줄어드는 효과가 없다면, 연료를 아끼면서도 먼 거리를 이동하려면 자동차가 원하는 속도에 도달했을 때 엔진을 꺼도 됩니다. 마찰이 없는 자동차는 관성으로 무한한 거리를 일정한 속도로 움직일 수 있습니다. 전류는 전도체에 많은 수의 전자가 통행하는 것이라고 생각할 수 있습니다. 전자는 원자들 사이에서 서로 떠밀고 떠밀리는 상황에 있습니다. 이 상황에서 전자는 저항을 느끼지 않으면서 이동할 수 없습니다. 그 결과 에너지의 일부분은 열로 전환됩니다. 때로는 열판 또는 토스트기처럼 열이 필요한 경우도 있지만 전력이 만들어지고 분배되어 전자석이나 컴퓨터 또는 다른 많은 기기에 사용될 경우 에너지가 열로 전환되는 것은 좋지 않습니다.

네덜란드 과학자인 하이케 카메를링 오네스는 1913년 노벨상을 수상했는데, 1911년에 그는 고체 수은에서 전기저항이 완전히 사라지는 놀라운 현상을 발견했습니다. 초전도현상이라 불리는 이 현상은 다른 금속과 합금에서도 관찰되었습니다.

왜 초전도성과 같이 에너지를 아낄 수 있는 성질이 광범위하게 응용되지 않았을까요? 그것은 초전도현상이 매우 낮은 온도에서만 관찰되었기 때문입니다. 초전도현상은 수은의 경우 절대온도 0K보다 겨우 4K 높은 영하 269도에서 발견되었습니다. 다소 더 높은 온도에서의 초전도성은 다른 합금들에서 계속 관찰되었습니다. 그러나 1970년대에는 이런 온도의 상승도 절대온도 23K에서 정지하는 것처럼 보였습니다. 절대온도 23K와 같은 낮은 온도에 도달하기 위해서는 많은 노력과 비용이 필요합니다. 에너지 손실없이 전기를 수송할 수 있을 것이라는 꿈은 단지 특별한 경우에서만 실현되는 것처럼 보였습니다.

또 다른 놀라운 현상이 초전도현상의 임계온도 근처까지 물질을 냉각시킬 때 발견되었습니다. 인접한 자석에 의한 자기장은 초전도체로부터 밀려나왔고, 그 결과 자석은 공중에 떠 있을 수 있었습니다. 그러나 부양된 자석에 의한 마찰이 없는 기차라는 꿈은 큰 규모에서는 실현될 수 없었는데 그 이유는 공중 부양에 필요한 온도가 너무 낮았기 때문입니다.

베드노르츠 교수와 뮐러 교수는 수 년 전 초전도성을 나타내는 합금이 아닌 다른 물질을 탐색하는 연구를 시작했습니다. 그들의 새로운 접근법은 지난해 초 성공을 거두었습니다. 란타늄-바륨-구리 산화물로 이루어진 세라믹 물질에서 저항이 0으로 갑자기 떨어지는 현상을 발견했습니다. 놀랍게도 경계온도는 이전에 존재하던 어떤 물질보다 50퍼센트 이상 높았습니다. 초전도성의 확실한 표지라 할 수 있는 자기력선을 밀어내는 현상도 그 다음 논문에 수록되었습니다.

많은 전문가들이 훈련받은 내용을 통해 자신들이 제어하는 기존의 연구 주제를 고수할 때 다른 많은 수의 과학자들이 새로운 연구 분야에 뛰어들었습니다. 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 새로운 세라믹 물질들이 합성되었으며, 초전도성을 얻기 위해 온도를 낮추는 것은 이제 아주 간단한 일이 되었습니다. 전 세계에서 새로운 결과들이 국제적인 학술지에 쏟아져 이제는 이 상황을 따라가기도 힘들 정도가 되었습니다. 초전도체의 많은 가능성들에 대한 기대를 가지고 연구위원회, 산업체 그리고 정치인들이 개발이 쉽지 않은 초전도체에 대한 연구를 장려하기 시작했습니다.

과학자들은 전자의 흐름에 대한 저항이 없는 상태가 어떻게 가능한지, 그리고 어떤 자연의 법칙에 따라 전자가 흐르는지를 찾기 위해 노력하고 있습니다. 존 바딘, 리언 쿠퍼, 그리고 로버트 슈리퍼 삼총사는 30년 전 오래된 유형의 초전도체를 설명할 수 있는 해법을 발견하여 1972년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 새로운 물질에서의 초전도성은 이 분야에서의 과학적인 논쟁을 다시 시작하게 하였습니다.

베드노르츠 박사님, 그리고 뮐러 교수님.

여러분은 획기적인 업적으로 초전도현상의 연구와 개발에 새롭고 성공적인 방법을 제시하였습니다. 또한 두 분이 개척한 이 분야에 많은 과학자들이 현재 활동하고 있습니다.

스웨덴 왕립과학원을 대표해 심심한 축하의 말씀을 드립니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.