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sciencespies · 3 years

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How Close Are We To The Holy Grail Of Room-Temperature Superconductors?

https://sciencespies.com/news/how-close-are-we-to-the-holy-grail-of-room-temperature-superconductors/

How Close Are We To The Holy Grail Of Room-Temperature Superconductors?

One of the biggest physical problems in modern society is resistance. Not political or social resistance, mind you, but electrical resistance: the fact that you cannot send an electrical current through a wire without some of that energy getting lost, being dissipated into heat. Electrical currents are just electric charges that move over time, and are harnessed by humans to move through current-carrying wires. Yet even the best, most effective conductors — copper, silver, gold, and aluminum — all have some resistance to current passing through them. No matter how wide, shielded, or unoxidized these conductors are, they’re never 100% efficient at transporting electrical energy.

Unless, that is, you can make your current-carrying wire go from a normal conductor to a superconductor. Unlike normal conductors, where the resistance gradually lowers when you cool them down, a superconductor has its resistance plummet to zero below a certain critical threshold. Without any resistance, superconductors can transmit electrical energy in a lossless fashion, leading to the holy grail of energy efficiency. Recent developments have brought about the highest-temperature superconductor ever discovered, but we probably won’t be transforming our electronics infrastructure anytime soon. Here’s the science of what’s going on at the frontiers.

One of Faraday’s 1831 experiments demonstrating induction. The liquid battery (right) sends an … [+] electric current through the small coil (A). When it is moved in or out of the large coil (B), its magnetic field induces a momentary voltage in the coil, which is detected by the galvanometer. As the temperature decreases, the resistance of the circuit decreases as well.

J. Lambert

Superconductivity has a long and fascinating history. We realized back in the 19th century that all materials — even the best conductors — still exhibit some sort of electrical resistance. You can lower the resistance by increasing the cross-section of your wire, by lowering the temperature of your material, or by decreasing the length of your wire. However, no matter how thick you make your wire, how cold you cool your system, or how short you make your electric circuit, you can never achieve infinite conductivity with a standard conductor for a surprising reason: electrical currents create magnetic fields, and any change in your resistivity will change the current, which in turn will change the magnetic field inside your conductor.

Yet perfect conductivity requires that the magnetic field inside your conductor not change. Classically, if you do anything to decrease the resistance of your conducting wire, the current will increase, and the magnetic field will change, meaning you can’t achieve perfect conductivity. But there’s an inherently quantum effect — the Meissner effect — that can arise for certain materials: where all magnetic fields inside a conductor are expelled. This makes the magnetic field inside your conductor zero for any current that flows through it. If you expel your magnetic fields, your conductor can begin behaving as a superconductor, with zero electrical resistance.

Helium’s unique elemental properties, such as its liquid nature at extremely low temperatures and … [+] its superfluidic properties, make it well-suited to a series of scientific applications that no other element or compound can match. The superfluid helium shown here is dripping because there is no friction in the fluid to keep it from creeping up the sides of the container and spilling over, which it does spontaneously.

Alfred Leitner

Superconductivity was discovered way back in 1911, when liquid helium first came into widespread use as a refrigerant. Scientist Heike Onnes was using liquid helium to cool down the element mercury into its solid phase, and was then studying the properties of its electrical resistance. Just as expected, for all conductors, the resistance gradually dropped as the temperature dropped, but only up until a point. Abruptly, at a temperature of 4.2 K, the resistance completely disappeared. Moreover, there was no magnetic field present inside the solid mercury once you crossed below that temperature threshold. Later only, several other materials were shown to exhibit this superconductivity phenomenon, all becoming superconductors at their own unique temperatures:

lead at 7 K,

niobium at 10 K,

niobium nitride at 16 K,

and many other compounds subsequently. Theoretical advances accompanied them, helping physicists understand the quantum mechanisms that cause materials to become superconducting. After a series of experiments in the 1980s, however, something fascinating began to occur: materials composed of vastly different types of molecules not only exhibited superconductivity, but some did so at significantly higher temperatures than the earliest known superconductors.

This figure shows the development and discovery of superconductors and their critical temperatures … [+] over time. The different colors represent different types of materials: BCS (dark green circle), Heavy-fermions-based (light green star), Cuprate (blue diamond), Buckminsterfullerene-based (purple inverted triangle), Carbon-allotrope (red triangle), and Iron-pnictogen-based (orange square). The novel states of matter achieved at high pressures have led to the current records.

Pia Jensen Ray. Figure 2.4 in Master’s thesis, “Structural investigation of La2–xSrxCuO4+y – Following staging as a function of temperature”. Niels Bohr Institute, Faculty of Science, University of Copenhagen. Copenhagen, Denmark, November 2015. DOI:10.6084/m9.figshare.2075680.v2

It started with a simple class of materials: copper oxides. In the mid-1980s, experiments with copper oxides with the elements lanthanum and barium broke the longstanding temperature record by several degrees, being found to superconduct at temperatures greater than 30 K. That record was quickly broken by using strontium instead of barium, and then was broken once again — by a significant margin — by a new material: Yttrium-Barium-Copper-Oxide.

This wasn’t just a standard advance, but rather a huge leap: instead of superconducting at temperatures below ~40 K, which meant that either liquid hydrogen or liquid helium was required, Yttrium-Barium-Copper-Oxide became the first material discovered to superconduct at temperatures above 77 K (it superconducts at 92 K), meaning that you could use the much cheaper liquid nitrogen to cool your device down to superconducting temperatures.

This discovery led to an explosion of superconductivity research, where a variety of materials were introduced and explored, and not only extreme temperatures but also extreme pressures were applied to these systems. Despite the huge explosion in research surrounding superconductivity, however, the maximum superconductivity temperature stagnated, failing to crack the 200 K barrier (while room temperature is just a hair under 300 K) for decades.

Still image of a liquid nitrogen cooled puck, superconducting above a magnetic track. By creating a … [+] track where the outside magnetic rails point in one direction and the inside magnetic rails point in the other, a Type II superconducting object will levitate, remained pinned above-or-below the track, and will move along it. This could, in principle, be scaled up to allow resistance-free motion on large scales if room-temperature superconductors are achieved.

Henry Mühlpfordt / TU Dresden

Nevertheless, superconductivity has become incredibly important in enabling certain technological breakthroughs. It’s widely used in the creation of the strongest magnetic fields on Earth, which are all made through superconducting electromagnets. With applications ranging from particle accelerators (including the Large Hadron Collider at CERN) to diagnostic medical imaging (they’re an essential component of MRI machines), superconductivity isn’t just itself a fascinating scientific phenomenon, but one that enables some excellent science.

While most of us are probably more familiar with the fun and novel applications of superconductivity — such as using those strong magnetic fields to levitate frogs or taking advantage of superconductivity to make frictionless pucks levitating above and sliding across magnetic tracks — that’s not really the societal goal. The goal is to create an electrified infrastructure system for our planet, from power lines to electronics, where electrical resistance is a thing of the past. While some cryogenically cooled systems currently leverage this, a room-temperature superconductor could lead to an energy-efficiency revolution, as well as infrastructure revolutions in applications such as magnetically levitated trains and quantum computers.

A modern high field clinical MRI scanner. MRI machines are the largest medical or scientific use of … [+] helium today, and make use of quantum transitions in subatomic particles. The intense magnetic fields achieved by these MRI machines rely on field strengths that can only be achieved with superconducting electromagnets, at present.

Wikimedia Commons user KasugaHuang

In 2015, scientists took a relatively simple molecule — hydrogen sulfide (H2S), a molecule very analogous to water (H2O) — and applied an incredible pressure to it: 155 gigapascals, which is over 1500000 times the pressure of Earth’s atmosphere at sea level. (For comparison, this would be like applying more than 10,000 tonnes of force to every square inch of your body!) For the first time, the 200 K barrier was cracked, but only under these extremely pressurized conditions.

This line of research was so promising that many physicists who had become disillusioned with the prospect of achieving a practical solution to the superconductivity questioned took it up once again with renewed interest. In the October 14, 2020 issue of Nature, University of Rochester physicist Ranga Dias and his colleagues mixed hydrogen sulfide, hydrogen, and methane under extreme pressures: ~267 gigapascals, and were able to create a material — a “photochemically transformed carbonaceous sulfur hydride system” — that shattered the temperature record for superconductors.

For the first time, a maximum superconducting transition temperature of 288 K was observed: about 15 degrees Celsius or 59 degrees Fahrenheit. A simple refrigerator or heat pump would suddenly make superconductivity possible.

Inside a material subjected to a changing external magnetic field, small electric currents known as … [+] eddy currents will develop. Normally, these eddy currents decay away rapidly. But if the material is superconducting, there is no resistance, and they will persist indefinitely.

Cedrat Technologies

Last year’s discovery represented a tremendous symbolic breakthrough, as the increase in known superconducting temperatures followed a steady progression in recent years under extreme pressures. The 2015 work in pressurizing hydrogen and sulfur cracked the 200 K barrier, and 2018 research in a high-pressure compound involving lanthanum and hydrogen cracked the 250 K barrier. The discovery of a compound that can superconduct at liquid water temperatures (albeit at extremely high pressures) isn’t exactly a surprise, but it is a really big deal to break the room temperature barrier.

However, it seems that practical applications remain significantly far off. Achieving superconductivity at mundane temperatures but extreme pressures is not significantly more accessible than achieving it at mundane pressures but extreme temperatures; both are barriers to widespread adoption. In addition, the superconducting material only persists as long as the extreme pressures are maintained; once the pressure drops, so does the temperature at which superconductivity occurs. The next big step — one that remains to be taken — is to create a room temperature superconductor without these extreme pressures.

This is an image, taken with scanning SQUID microscopy, of a very thin (200 nanometers) … [+] Yttrium-Barium-Copper-Oxide film subjected to liquid helium temperatures (4 K) and a significant magnetic field. The black spots are vortices created by the eddy currents around the impurities, while the blue/white regions are where all the magnetic flux has been expelled.

F. S. Wells et al., 2015, Scientific Reports volume 5, Article number: 8677

The concern is that there may be some sort of a Catch-22 situation at play here. The highest-temperature superconductors at standard pressures don’t appreciably change in behavior as you vary the pressure, while the ones that superconduct at even higher temperatures under high pressures no longer do so when you reduce the pressure. Solid materials that are good for making wires out of, like the various copper oxides discussed earlier, are very different than the pressurized compounds that are only created in trace quantities under these extreme laboratory conditions.

But — as first reported by Emily Conover at Science News — it’s possible that theoretical work, aided by computational calculations, could help point the way. Each possible combination of materials can give rise to a unique set of structures, and this theoretical and computational search can help identify which structures may be promising for obtaining the desired properties of high-temperature but also lower-pressure superconductors. The 2018 advance that crossed the ~250 K superconducting barrier for the first time, for example, was based on such calculations, which led to the lanthanum-hydrogen compounds that were then experimentally tested.

This diagram shows the structure of the first high-temperature low-pressure superhydride: LaBH8. The … [+] authors on this 2021 work were able to predict a hydride superconductor, LaBH8, with a high superconducting temperature of 126 K at a pressure down to 40 gigapascals: the lowest pressure ever for a high temperature superconducting hydride.

S. Di Cataldo et al., 2021, arXiv:2102.11227v2

Already, such calculations have pointed towards a substantial advance by leveraging a new set of compounds: yttrium and hydrogen, which superconduct at near-room temperatures (-11 Celsius, or 12 Fahrenheit) but at substantially lower pressures than were previously required. While metallic hydrogen — which only exists at ultra-high pressures, such as those found at the bottom of Jupiter’s atmosphere — is expected to be an excellent high-temperature superconductors, the addition of extra elements could lower the pressure requirements while still maintaining the high-temperature superconductivity property.

Theoretically, all single-element combinations with hydrogen have now been explored for superconductivity properties, and the hunt is now on for two-element combinations, such as the carbon-sulfur-hydrogen compound previously discovered experimentally by Dias. Lanthanum and boron with hydrogen has shown promise experimentally, but the number of possible two-element combinations rises into the thousands. Only with computational methods can we receive guidance on what we ought to try next.

Squeezed to high pressure between two diamonds, a material made of carbon, sulfur and hydrogen … [+] superconducts: transmitting electricity without resistance at room temperature. So long as the pressure and temperature simultaneously remain above a certain critical threshold, the resistance will remain at zero. This compound holds the record for highest superconducting temperature: 15 C (59 F).

J. Adam Fenster / University of Rochester

The biggest questions surrounding high-temperature superconductivity now all involve the pathway to getting to low pressures as well. The true “holy grail” moment will come when mundane conditions — in both temperature and pressure — can create a situation where superconductivity still persists, enabling a wide variety of electronic devices to leverage the power and promise of superconductors. Although individual technologies will advance, from computers to maglev devices to medical imaging and much more, perhaps the biggest benefits will come from the savings of vast amounts of energy in the electrical grid. High-temperature superconductivity, according to the US Department of Energy, could save the United States alone hundreds of billions of dollars in energy distribution costs annually.

In a world of finite energy resources, the elimination of any inefficiencies can benefit everyone: energy providers, distributors, and consumers at all levels. They can eliminate problems such as overheating, greatly reducing the risk of electrical fires. And they can also increase the lifespan of electronic devices while simultaneously reducing the need for heat dissipation. Once a novelty, superconductivity leapt into the scientific mainstream with the 20th century’s advances. Perhaps, if nature is kind, it will leap into the consumer mainstream with 21st century advances. Impressively, we’re already well on our way.

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qwjrhgbasuy · 4 years

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벤자민 버튼처럼…韓, 늙어버린 피부 젊게 되돌리는 기술 개발 ㈛ 포논

국내 연구진이 노화된 세포를 젊은 세포로 되돌리는 역 노화 원천기술을 개발했다. 이를 활용하면 노화 현상을 막고 각종 노인성 질환을 사전 억제할 수 있는 치료제를 개발할 단서를 찾을 수 있을 것으로 기대된다. KAIST는 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 노화된 인간 진피 섬유아세포를 정상적인 젊은 세포로 되돌리는 역 노화의 초기 원천기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 조광현 교수팀의 이번 연구 결과는 ㈜아모레퍼시픽 기술연구원과의 산학 공동연구를 통해 최초로 개발된 노화 인공피부 모델에서 이 기술을 적용함으로써 입증하는 데 성공했다. 조 교수팀은 이번 연구를 위해 인간 진피 섬유아세포의 세포노화 신호전달 네트워크의 컴퓨터 모델을 개발했다. 이어 시뮬레이션 분석을 통해 노화된 인간 진피 섬유아세포를 젊은 세포로 되돌리는데 필요한 핵심 인자를 찾아낸 것이다. 이후 노화 인공피부 모델에서 핵심 인자를 조절함으로써 노화된 피부조직에서 감소된 콜라겐의 합성을 증가시키고 재생 능력을 회복시켜 젊은 포논 툭 건들면 끊어질 듯 가느다란 거미줄은 예상외로 쉽사리 끊어지지 않는다. 거미줄이 주욱 늘어나면서 끊어지지 않는 이유를 포논의 관점에서 설명할 수 있다. [출처: (cc) uditha wickramanayaka at flickr.com] 툭 건들면 끊어질 듯 가느다란 거미줄은 예상외로 쉽사리 끊어지지 않는다. 거미줄이 주욱 늘어나면서 끊어지지 않는 이유를 포논의 관점에서 설명할 수 있다. [출처: (cc) uditha wickramanayaka at flickr.com] 빛은 파동이면서 입자다. 그런데 고체 속을 흐르는 진동과 소리 역시 파동인 동시에 입자다. 고체를 구성하는 원자들이 흔들릴 때 ‘포논’이라는 양자화된 입자가 전파된다. 거미줄이 강한 이유도, 차세대 소재 그래핀이 뛰어난 이유도 포논에 있다. 고체의 비열에 양자역학을 적용하면 잘 알려져 있다시피 아인슈타인은 죽을 때까지 양자역학을 인정하지 않았다. 그러나 아이러니하게도 양자역학을 정립하는 데 누구보다 큰 기여를 한 사람이 바로 아인슈타인이다. 독일의 물리학자 막스 플랑크가 ‘빛은 정수배의 특정한 진동수를 갖는 에너지 알갱이’라는 가설을 이용해 고전 전자기학으로는 이해할 수 없었던 흑체의 복사법칙을 설명해 냈다. 이를 계기로, 빛의 양자론이 정립됐다. 아인슈타인은 금속에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 광전효과를 빛이 입자로 행동한 결과(광양자설)라고 설명하면서, 빛이 파동성과 입자성을 모두 갖는다는 ‘빛의 이중성’을 주장했다. 결과적으로 빛의 양자론을 확고하게 만드는 역할을 한 것이다.아인슈타인은 태동한 지 얼마 안 된 양자역학을 다른 곳에도 적용했다. 그중 하나가 바로 고체의 비열 문제였다. 비열이란 물질의 온도를 1℃만큼 높이기 위해 필요한 에너지다. 비열이 크면 온도를 올리기 쉽지 않다. 예를 들어 물은 모래보다 비열이 약 5배 크다. 따라서 모래는 금방 뜨거워졌다가 또 금방 식지만, 물은 온도 변화가 적다.문제는 고체의 비열이 온도에 따라 달라진다는 점이었다. 당시 고체의 비열을 설명하는 고전 이론으로 ‘듀롱-페티 모형’이 있었는데, 이 이론에 따르면 고체의 비열은 온도에 상관 없이 일정해야 했다. 아인슈타인은 이를 설명하기 위해 ‘포논(phonon)’이라는 개념을 도입했다.일반적으로 고체를 이루는 원자들 사이의 결합은 용수철 연결로 비유해 생각할 수 있다. 원자 사이의 결합은 온도가 달라지면서 흔들리는데, 이런 ‘열적 요동’이 용수철의 진동 특성과 똑같기 때문이다. 그런데 양자역학의 세계에선 연속적으로 보이는 모든 것들을 자연수로 셀 수 있는 양으로 재해석 할 수 있다(이를 양자화라 부른다). 전자기파의 진동을 양자화한 것이 바로 포톤(photon), 즉 광자다. 고체 원자들을 잇는 용수철의 진동 역시 양자화할 수 있다. 바로 이게 포논이다. 다시 말해, 포논은 용수철의 ‘진동 알갱이’다. 1차원 격자에서 포논의 움직임을 나타낸 것이다. 실제 포논의 움직임은 격자에 비해 훨씬 작지만 설명을 위해 포논의 움직임을 과장되게 표현했다. [출처: (cc) Greg L at wikimedia.org] 질량 없고 만질 수 없지만, 힘을 매개한다 포논이라는 용어는 소리(pho-)라는 접두어에 입자(-non)라는 접미어를 붙여 만든 단어로, 실제로 포논이 고체 안에서 소리를 전달하기 때문에 이런 이름이 붙었다. 어떤 고체의 한쪽을 두드리면 포논이 전파해 반대쪽에서 소리를 들을 수 있다.아인슈타인이 새롭게 만든 고체의 비열 공식(아인슈타인 모형)은 실험결과와 상당히 잘 맞았다. 그런데 그의 성공은 고체 내부의 진동을 포논으로 해석한 데에만 있지 않다. 그는 포논이 보존(boson) 입자라는 사실을 간파하고 고체 내부의 세상에 보존의 물리학(보즈-아인슈타인 통계)을 적용했다. 비로소 고체의 비열이 온도에 따라 달라진다는 결론을 얻을 수 있었다.양자역학의 세계에서 입자는 스핀 상태에 따라 분류된다. 스핀이 1/2의 정수배(1/2, 3/2…)인 입자들은 원자로를 개발한 유명한 물리학자 엔리코 페르미의 이름을 따 ‘페르미온’이라고 부른다. 오스트리아의 이론물리학자 볼프강 파울리는, 페르미온들은 같은 에너지 상태를 가질 수 없고 서로 배척한다는 사실을 알아냈다(즉 같은 에너지 상태에서는 +/- 반대의 스핀을 갖는 페르미온끼리만 같이 존재할 수 있다). 이를 ‘파울리의 배타원리’라고 한다. 페르미온은 대개 양성자, 중성자, 전자 같은 물질을 구성하며, 파울리의 배타원리에 따라 페르미온 입자로 이뤄진 물질은 우리가 손으로 만질 수 있다.스핀이 0, 1, 2…등 정수 값인 입자도 있다. 바로 보존이다. 인도의 무명 물리학자였던 사티엔드라 나트 보즈의 이름을 본 땄다. 보즈는 페르미가 개발한 페르미 통계를 공부하고 보존의 물리학을 만들었다. 당시 그는 박사학위도 없는 무명의 물리학자여서 논문을 작성한 뒤 아인슈타인에게 편지로 보냈다. 다행히 아인슈타인은 그 논문을 쓰레기통에 넣지 않고 꼼꼼히 읽어본 뒤 자신의 생각을 첨가하고 독일어로 번역해 학술지에 제출했다. 바로 보존 입자�� 물리학(보즈-아인슈타인 통계)이다. 이에 따르면, 보존 입자는 페르미온과 달리 파울리의 배타원리를 따르지 않는다. 따라서 같은 에너지 상태를 지닌 입자라도 서로 겹쳐서 존재할 수 있다. 만져지지 않는 에너지 덩어리인 셈이다. 이들 보존 입자는 대개 힘을 매개한다.빛 알갱이, 즉 광자는 보존의 대표적인 예다. 빛은 실험을 해보면 입자의 특성을 보이지만, 질량이 없고 물질을 투과하며 만져지지 않는다. 포논은 어떨까. 원자 사이의 용수철 진동을 양자화한 것이므로 물질이 아니라 단순한 에너지의 진동으로서, 파울리의 배타원리를 따르지 않는다. 즉, 포논은 광자와 마찬가지로 스핀이 0인 보존 입자다. 전자 짝지어 초전도 만들고 전자와 상호작용해서 격자 뒤틀고… 다른 보존처럼 포논 역시 힘, 즉 어떤 상호작용을 매개한다. 이 때문에 신비로운 현상이 벌어진다. 초전도 현상이 대표적이다. 초전도는 낮은 온도에서 물체의 전기저항이 0이 되는, 전류를 한번 흘리면 영원히 흐르는 신기한 현상이다. 고전역학으로는 이를 설명할 수 없다.1957년 미국의 물리학자 존 바딘과 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 초전도의 근본 원리를 양자장론으로 해석한 이론을 발표했다(이름의 첫 글자를 따서 BCS이론이라고 한다). 이에 따르면, 초전도는 전자 두 개가 포논을 매개로 짝을 이루기 때문에 일어나는 현상이다. 초전도체 현상. 전자 두 개가 포논을 매개로 짝을 이루기 때문에 일어나는 현상이다. [출처: Henry Mühlpfordt at wikimedia.org] 큰 홀 안에 수백 명의 사람들이 있는 상황을 가정해보자. 이들이 제각각 움직일 경우, 어떤 사람이 홀 안으로 들어와 반대쪽 출구까지 가려면 많은 사람들과 부딪칠 수밖에 없다. 그런데 홀 안에 음악이 흘러나오고 사람들이 둘씩 짝을 이뤄 정해진 안무에 따라 춤을 춘다면, 부딪치지 않고 부드럽게 빠져 나갈 수 있다. 이때 사람들이 전자라면 남녀를 묶어 춤을 추게 하는 음악이 바로 포논이다(포논의 어원이 소리입자 아닌가!). BCS이론에 따르면, 음의 전하를 갖지만 스핀이 서로 반대인 전자 두 개를 포논이 매개해서 짝을 짓게 한다. 그 결과 전기저항이 0이 된다.전자와 포논이 짝짓기하는 현상도 흥미롭다. 고체 안에서 전자끼리도 상호작용하지만, 전자와 포논도 상호작용을 한다. 고전역학으로 설명한다면, 원자간 결합이 진동하면서 전자가 영향을 받는다는 얘기다. 그런데 둘의 상호작용은 고체의 상태에 따라 다르다.예를 들어, 수많은 사람들이 지하철역 안에서 움직이는 상황을 생각해보자. 서로 부딪치고 스쳐 지나갈 뿐 이야기를 나누진 않는다. 이번엔 결혼 정보회사가 적당한 홀에 50여 명의 남녀를 모아놓고 미팅을 주선한다고 해보자. 이 땐 참석자들이 서로 눈치를 보고 이야기도 나눈다. 만약 남녀 단 둘이 테이블에 소개팅을 한다면 어떨까. 앞의 경우보다 훨씬 더 적극적으로 대화를 이어 나가며 서로를 탐색할 것이다.전자와 포논의 상호작용도 비슷하다. 3차원 모양의 금속(지하철역) 안에 자유전자가 많으면(수많은 사람들), 자유전자와 포논은 서로 상관하지 않고 마음껏 이동한다. 둘이 상호작용을 거의 하지 않는다는 의미다. 2차원 공간(홀)에 전자가 이보다 적어지면(50여 명의 남녀), 전자와 포논 사이의 상호작용이 생긴다. 0차원 양자점(테이블)에서는 전자와 포논의 상호작용이 너무 강해 전하가 ‘양자 우물’에 갇혀 움직이지 않게 된다.흥미로운 건 홀과 테이블 그 중간쯤 되는 1차원 상황이다. 원자들이 한쪽 방향으로만 용수철 결합을 하고 있는 1차원 격자 구조의 고체가 이에 해당하는데, 남녀가 서로 마주 보며 일렬로 앉아서 ‘사랑의 작대기’ 게임을 하는 경우에 비유할 수 있다. 1대 1로 매칭되면 모두가 만족한다. 물리학적으로는 에너지가 낮은 상태(안정)가 된다. 그러나 현실은 그렇지 못하다. 어디에선가 꼭 작대기가 어긋나고, 짝을 짓지 못한 사람들은 불안하다. 물리학적으로는 에너지가 높아 불안정한 상태다.마찬가지로, 1차원 구조에서 전자와 포논의 1대 1 매칭은 쉽게 이뤄지지 않는다. 에너지가 불안정해지기 쉽다. 하지만 자연은 에너지가 낮고 안정한 상태로 가려는 경향이 있기 때문에 결정격자가 뒤틀리면서 전자와 포논이 짝짓기를 하게 된다. 이 경우 에너지가 급격히 낮아지면서 안정화된다. 이 현상을 발견한 독일의 물리학자 루돌프 파이얼스의 이름을 따 ‘파이얼스 왜곡 현상’이라고 부른다. 최근에는 재료과학 분야에서 신물질을 만들 때 이 현상을 이용하고 있다. 파이얼스 왜곡을 이용해 개발한 새로운 열전소재(인듐셀레나이드)의 결정 구조. a 방향으로 연결돼 있지 않은 2차원 격자로, 전자를 제한하면 격자가 뒤틀리며 열전도도가 낮아진다. 파이얼스 왜곡은 이 같은 저차원 구조에서 잘 일어난다. [출처: [네이처], 이종수 외, 2009] 거미줄의 탄성과 그래핀의 방열 특성의 중심에 포논이 있다 포논의 물리학을 알면 고체의 열, 전기, 자기적 특성을 파악할 수 있다. 예를 들어, 2016년 7월 독일 막스플랑크연구소 연구팀이 포논의 관점에서 거미줄이 강한 이유를 분석한 논문을 학술지 [네이처 머티리얼즈]에 발표했다. 거미줄의 재료는 고분자 섬유인데, 결정이 규칙적인 부분(결정질)과 결정 구조가 없는 부분(비결정질)이 섞여 있다. 연구팀에 따르면, 거미줄의 이 같은 구조 때문에 결정질의 포논과 비결정질의 포논이 상호작용하면서 거미줄의 탄성률이 커진다. 즉, 거미줄이 충분히 늘어나도 끊어지지 않고 버틴다.특히 최근엔 많은 과학자가 그래핀의 포논에 관심을 갖고 있다. 최근 전자기기를 제작할 때 큰 문제 중 하나는, 소자가 집적화될수록 열이 많이 난다는 점이다. 열전도도가 높은 소재를 이용해 열을 방출해 줘야 하는데, 유망한 후보가 바로 그래핀이다. 그래핀을 방열소재로 이용하려면 그래핀 자체의 포논뿐만 아니라 그래핀과 전극 접합소재 접촉면에서 발생하는 포논도 잘 알아야 한다.이런 연구를 응용하면 새로운 소재를 개발할 수도 있다. 예컨대, 필자는 앞서 소개한 파이얼스 왜곡 원리를 이용해 고체 안의 전자와 포논을 독립적으로 제어하는 방법을 제시했다. 이를 통해 전기는 잘 통하면서 열은 흐르지 않는 새로운 물질을 개발했다(Nature 459(7249) 965~968, July 2009).새로운 기술의 성공 여부는 이제 소재에 달린 것이 많다. 그리고 소재의 열, 전기, 자기적 물성 제어를 통해 새로운 기능성 물질을 발견하는 문제에 대해 포논은 답을 갖고 있다.

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