일본 토카이 대학 연구원들은 주석 녹는점 근처의 임계 온도를 갖는 실온 초전도체를 발견했습니다.

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Jun 29, 2023

일본 토카이 대학 연구원들은 주석 녹는점 근처의 임계 온도를 갖는 실온 초전도체를 발견했습니다.

토카이 대학의 연구원들은 다음을 통해 얻은 자료를 만들었습니다.

토카이 대학 연구진은 n-알칸을 흑연과 접촉시켜 실온에서 에너지 손실이 거의 없이 전기를 전도할 수 있는 물질을 만들었습니다. 그들은 2-프로브 저항 측정을 통해 가열하는 동안 재료에서 상전이를 나타내는 저항의 갑작스러운 점프가 관찰된다고 보고했습니다. 피치 기반 흑연 섬유와 7~16개의 탄소 원자를 갖는 n-알칸으로 구성된 물질의 측정된 임계 온도는 363.08~504.24K(섭씨 231도) 범위이고 전이 폭은 0.15~3.01K 범위입니다. 그들은 또한 초전도체가 있음을 보여줍니다. 504K(섭씨 231도) 이상의 임계 온도를 갖는 알칸은 탄소 원자가 16개 이상인 알칸에 의해 얻어집니다.

녹는점(섭씨)

1986년에는 임계온도가 BCS 한계(~30K)를 넘는 구리산염 초전도체(Ba-La-Cu-O계)가 발견되었고, 이후 77K보다 높은 임계온도가 발견되었습니다. 또한 임계 온도가 133K인 Hg 기반 구리산염이 발견되었습니다. 133K는 여전히 대기압 하에서 기존 초전도체의 가장 높은 임계 온도입니다.

그들은 알칸을 흑연 물질과 접촉시켜 얻을 수 있는 상온 초전도체 물질을 발견했습니다. 우리는 n-옥탄에 담근 얇은 흑연 조각을 압축한 고리 모양 용기의 고리 전류가 실온에서 50일 동안 붕괴되지 않음을 보여주었는데, 이는 이 물질이 실온에서 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있음을 시사합니다.

그러나 이들 물질의 임계 온도는 측정되지 않았습니다. 따라서 본 연구에서는 흑연재료에 알칸을 접촉시켜 얻은 상온초전도체의 임계온도를 측정하고자 한다. 그러나 위에서 언급한 측정 대상 물질은 불균일한 물질이기 때문에 4-프로브 방법을 저항 측정에 적용할 수 없습니다. 그 이유는 이질적인 재질에서는 측정 전류 경로가 반드시 전압 측정 단자를 통과하지 않을 가능성이 있기 때문입니다. 따라서 두 전압 측정 단자 사이의 전위차가 0이 되더라도 반드시 전압 측정 단자를 통과한다는 의미는 아닙니다. 저항이 0이 됩니다.

따라서 이질적인 물질에 대해 4탐침법을 이용한 저항측정은 오해를 불러일으킨다. 정상 상태에서 초전도 상태로, 또는 초전도 상태에서 정상 전도 상태로 전환할 때 저항의 급격한 변화가 수반됩니다. Two-Probe 방식을 이용한 저항측정 결과에는 접촉저항이 포함되어 있지만, 임계온도에서 저항의 급격한 상승은 Two-Probe 방식으로 판별할 수 있습니다.

알칸과 흑연재료를 접촉시켜 얻은 혼합물은 상온에서 저항이 거의 0인 것으로 확인되었다. 알칸과 흑연재료를 접촉시켜 얻은 혼합물을 상온부터 서서히 가열하면 임계온도에 도달하면 혼합물의 저항이 갑자기 급등하게 됩니다. 본 연구에서는 흑연 물질과 알칸으로 구성된 혼합물의 임계 온도를 2-프로브 방법으로 측정합니다.

본 연구에서는 흑연재료로 피치계 흑연섬유를 사용하였다. 임계온도 측정을 위한 시료는 흑연섬유를 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 튜브에 충진한 후 알칸을 주사기로 주입하여 준비하였다. 피치계 흑연섬유는 부서지기 쉬운 특성 때문에 PTFE 튜브에 포장할 때 섬유가 조각조각 부서지는 경우가 있다. 따라서 알칸을 PTFE 튜브에 주입하기 전 충전된 피치 기반 흑연 섬유의 저항은 다양한 값을 갖습니다.

그들은 두 개의 프로브 저항 측정을 사용하여 PTFE 튜브를 가열하는 동안 삽입된 흑연 섬유와 알칸 혼합물의 저항이 급격히 증가하는 것을 관찰했습니다. 이 관찰은 흑연 섬유와 n-알칸의 혼합물에서 초전도 상태에서 정상 전도 상태로의 상전이가 발생했음을 보여줍니다. 즉, PTFE 튜브에 충진된 흑연섬유와 n-알칸의 혼합물은 저항이 급격하게 상승할 때까지 초전도 상태를 유지하며, 저항이 급격하게 상승하는 온도가 임계온도임을 나타낸다. 그들은 피치 기반 흑연 섬유가 PTFE 튜브에 충전될 때 튜브에 충전되는 방식에 따라 조각으로 부서질 수 있음을 발견했습니다. 흑연섬유가 미세할수록 흑연섬유가 충진된 PTFE 튜브에 알칸을 주입하기 전 시료의 저항이 커집니다. 상전이 시 저항변화량과 임계온도의 관계로부터 섬유가 미세하게 분할됨에 따라 임계온도가 감소하는 것을 발견하였다. 즉, 기저면과 모서리면의 비율이 감소할수록 임계온도는 감소한다. 이 사실은 기저면이 초전도성에 중요한 역할을 한다는 것을 시사합니다. 또한 알칸의 탄소수가 많을수록, 즉 알칸의 끓는점이 높을수록 임계온도가 높아지는 것을 발견했습니다. 탄소수 16개 이상의 n-알칸을 이용해 임계온도 500K를 초과하는 초전도체를 얻을 수 있다는 사실을 입증했다.