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저자: Dan Garisto

직업: 프리랜서 과학 기자

이력: 컬럼비아 대학 물리학 학사. AGU, 페르미랩, 노틸러스, 사이언스 뉴스 등에서 인턴쉽을 함. 이후 프리랜서 과학 기자로 정착함. 주로 물리학에 대해서 다룸.


LK-99는 초전도체가 아니다. 과학자들이 비밀을 풀어낸 방법.

여러 재현 실험을 통해 왜 LK-99가 초전도체와 유사한 행동을 보이는지 밝혀내다.


연구자들이 LK-99 퍼즐을 풀어낸 것으로 보인다. 이 과학계의 탐정들은 LK-99가 초전도체가 아니라는 증거를 찾아내고 그 실제 성질을 밝혀냈다.


결론부터 얘기하자면 구리, 납, 인, 산소의 화합물인 LK-99가 상온상압 초전도체라는 희망적인 관측에는 취소선을 긋게 되었다. 연구에 의하면 LK-99가 아니라 물질에 포함된 불순물, 특히 황화구리가 초전도체의 특성처럼 보였던 저항의 급격한 저하, 자석 위에서의 부분 부양을 일으킨 원인으로 밝혀졌다.

캘리포니아 대학 응집물리 실험실의 Inna Vishik는 "이 시점에서 와서는 거의 정리된 문제라고 생각합니다."라고 말했다.


LK-99의 이야기는 지난 7월 말 서울의 스타트업인 퀀텀에너지연구소의 이석배, 김지훈 팀이 LK-99가 상압에서 섭씨 127도까지 초전도체라고 주장하는 프리프린트를 게재하며 시작되었다. 이전까지 초전도체임이 확인된 물질들은 매우 낮은 온도나 높은 압력 하에서만 작동했다.


이 기상천외한 주장은 빠르게 대중과 연구자들의 관심을 끌어모았으며 그 중 일부는 LK-99 재현을 시도하였다. 초기 재현 실험에서는 상온 초전도체의 증거가 나타나지 않았지만 결론을 내리기에는 불충분하였다. 이후 수십건의 재현 실험을 통해 쌓인 증거를 토대로 많은 전문가들은 자신있게 LK-99가 상온 초전도체가 아니라고 말할 수 있게 되었다. (Lee and Kim 팀은 네이쳐의 코멘트 요청에 응답하지 않음)


쌓여가는 증거

한국의 연구팀은 LK-99가 자석 위에서 부양하며 급격한 저항 저하를 보인다는 두가지 근거를 들어 이 물질이 초전도체임을 주장하였다. 하지만 베이징 북경대와 중국과학원은 각각의 독립된 연구를 통해 이 현상에 대해 재미 없는 설명을 내놓았다.


미국과 유럽의 연구에서 발견된 이론 및 실험적인 증거들 또한 LK-99의 구조가 초전도성을 띄는 것이 불가능함(infeasible)을 설명하였다. 다른 실험자들은 LK-99의 순수한 샘플을 합성하고 연구한 끝에 이것이 초전도체가 아니며 부도체라는 사실을 확인했다.


호주 모나쉬 대학의 Michael Fuhrer 교수는 이 이상의 확인은 한국의 연구팀이 샘플을 공유해줘야만 가능할 것이라고 밝히며 "다른 사람들을 설득시키는 것은 그들의 몫입니다."라고 말했다.


LK-99의 초전도성에 대한 가장 놀라운 증거는 동전 모양의 샘플이 자석 위에서 흔들거리는 모습을 찍은 영상이라 할 수 있을 것 같다. 한국의 연구팀은 샘플이 마이스너 효과에 의해 부양한다고 설명했는데 이는 물질이 자기장을 밀어낸다는 것을 의미하여 초전도성의 증거 중 하나로 받아들여진다. SNS를 통해 입증되지 않은 LK-99 부양 영상들이 퍼져나갔지만 초기에 재현을 시도했던 연구자 중 그 누구도 부양 현상을 관찰하지 못했다.


반쪽자리 부양

여러 경고 신호(red flags)들이 하버드 대학의 전 응집물리학 연구가인 Derrick van Gennep에게 전해졌고 그는 LK-99 영상에 관심을 갖게 되었다. 영상에서 샘플의 한쪽 모서리는 자석에 붙어있고 섬세하게 균형을 잡고 있는 것으로 보였다. 반대로 진짜 초전도체들은 자석 위에서 부양하며 빙빙 돌거나, 심지어는 거꾸로 매달려 있을 수도 있다. Gennep은 "그러한 초전도체의 움직임은 우리가 LK-99 영상에서 보는 것과는 전혀 다릅니다."라고 말했다.


그는 LK-99의 성질이 강자성에 의한 결과일 가능성이 높다고 생각했고, 압축된 흑연 단면을 철조각에 붙여서 샘플과 유사한 모양을 만들었다. 그가 만든 이 비초전도성, 강자성 디스크는 LK-99의 움직임을 비슷하게 보여준다.


8월 7일 북경대의 연구팀이 그들이 만든 샘플이 강자성에 의해 반부양 현상이 나타난다고 보고하였다. 공저자인 응집물리학자 Yuan Li는 "이건 Iron-filing 실험에서 나타나는 것과 같은 현상입니다."라고 밝혔다. 샘플 조각은 위로 밀어올리는 힘을 받지만 부양하기에는 충분하지 않기 때문에 한 쪽 끝으로 겨우 균형을 잡는 정도가 된다.


Li와 그의 연구팀은 그 샘플의 저항을 측정하였고 초전도성의 증거를 발견하지 못했다. 하지만 이들은 한국 연구팀에서 보였다던 급격한 저항 감소에 대해서는 설명하지 못했다.


불순한 샘플들

한국인 저자들은 프리프린트를 통해 특정 온도에서 LK-99가 10배 이상의 저항 감소를 보인다고 언급하였다. 일리노이 대학 어배너-섐페인 캠퍼스의 화학자 Prashant Jain는 "아주 명확하게 밝혔더군요. 섭씨 104.8도라고. 그 얘기를 듣고 '잠깐, 이 온도는 익숙한데.' 생각했습니다."라고 말했다.


LK-99를 합성하는 반응은 불균형한 제조법(unbalanced recipe)을 사용하는데 구리-도핑된 납인산염 결정(순수한 LK-99) 하나마다 17개의 구리 부분, 5개의 황 부분을 만들어내도록 되어있다. 이 잉여물들에 의해 한국 연구팀이 기존에 보고하였던 황화구리를 비롯해 수많은 불순물들이 만들어지게 된다.


Jain은 황화구리 전문가로 섭씨 104도가 Cu2S가 상전이를 일으키는 온도라는 사실을 기억해냈다. 이 온도 아래에서 공기에 노출된 Cu2S의 저항은 급격하게 저하되며 이것은 LK-99가 초전도체 상전이라고 주장하는 것과 거의 동일한 현상이다. "그들이 이 사실을 놓쳤을 거라고는 도저히 믿을 수 없었습니다." Jain은 이 혼동을 일으킬 수 있는 효과에 대해 프리프린트를 게재하였다.


8월 8일 중국과학원의 연구팀은 LK-99에서 Cu2S 불순물의 효과에 대해 보고하였다. "서로 다른 합성 과정을 통해 Cu2S 함유량이 다른 샘플을 만들어낼 수 있습니다." 물리학자 Jianlian Luo는 밝혔다. 연구자들은 2개의 샘플을 실험해보았는데 첫 번째 샘플은 진공에서 가열되어 5%의 Cu2S를 포함하게 되었고, 두 번째 샘플은 공기 중에서 가열되어 70%의 Cu2S를 갖게 되었다.


첫 번째 샘플은 냉각되면서 비교적 부드럽게 저항이 증가하는 모습을 보였고 이는 다른 재현 실험 샘플들과 비슷했다. 하지만 두 번째 샘플의 저항은 섭씨 112도 근처에서 급격히 저하되는 모습을 보였고 이는 한국 연구팀의 관찰 내용과 매우 비슷한 결과였다.


Fuhrer 교수는 "저는 그 순간 '그들이 무엇 때문에 초전도체라고 생각하게 되었는지 분명해졌다'고 말했습니다. 이 황화구리가 관짝에 박힌 못이 된 것이죠."


물질을 다루는 것은 까다롭고 많은 불순물을 포함하고 있기 때문에 LK-99에 대해 확언을 하는 것은 어려운 일이다. Li는 "우리가 만드는 샘플 중에서도 각각의 샘플은 조금씩 다를 겁니다."라고 말했다. 그러나 Li는 원본 LK-99과 충분히 비슷한 샘플이라면 LK-99가 상온에서 초전도체인지 확인하기에 충분하다고 주장한다.


결정질처럼 투명한

저항 감소와 반부양에 대한 유력한 설명들을 통해 과학계는 LK-99가 상온 초전도체가 아니라고 믿게 되었다. 하지만 풀리지 않은 숙제들이 남아있었다. 그래서 이 물질의 실제 성질은 무엇일까?


초기에 LK-99의 구조를 예측하기 위해 DFT(density functional theory)를 이용한 이론적 접근이 있었고 여기에서 흥미로운 전기적 현상인 '플랫 밴드'의 가능성이 제기되었다. 플랫 밴드란 전자가 천천히 움직이면서 매우 강하게 상호작용할 수 있는 영역을 의미한다. 어떤 경우에는 이것이 초전도성을 일으킬 수도 있다. 하지만 이 계산은 LK-99의 구조에 대해 입증되지 않은 가정에 기반하고 있었다.


LK-99를 더 확실히 이해하기 위해 미국과 유럽의 연구자들은 LK-99의 구조를 계산하기 위해 정밀 X-ray 검사(역주: XRD를 의미하는 듯)를 시행하였다. 이 방식을 통해 연구진들은 플랫밴드에 대해 확실하게 설명해주는 결정적인 계산을 얻어낼 수 있었다. 플랫 밴드는 초전도성에 기여하는 부분이 아니었다. 대신 LK-99의 플랫 밴드는 매우 국소적으로 존재하는 전자들로부터 기인하였고 이 전자들은 초전도체에서처럼 '건너뛰는' 것이 가능하지 않았다.


8월 14일 막스 플랑크 연구소의 연구진들은 LK-99의 순수한 단결정 합성에 성공하였음을 보고하였다. 이전의 재현 실험들과는 다르게 연구자들은 Floating zone crystal growth 방식을 이용해 황이 반응에 끼어들지 못하도록 배제하였고 Cu2S 불순물을 완전히 제거할 수 있었다.


순수한 LK-99 즉 Pb8.8Cu1.2P6O25는 투명한 자색 결정체였다. 불순물에서 분리된 LK-99는 초전도체가 아니라 수백만 옴의 부도체였고 표준적인 저항 테스트를 하기에도 너무 높았다. 이 결정은 약한 강자성과 반자성을 띄었지만 샘플의 일부라도 띄어올리기에는 너무 약했다. "따라서 우리는 초전도체의 존재를 배제할 수 있습니다."라고 연구팀은 결론을 내렸다.


연구팀은 LK-99의 초전도성처럼 보이는 것들은 그들이 만들어낸 결정체에는 존재하지 않는 Cu2S 불순물 때문임을 제안하였다. 연구를 이끈 막스 플랑크 연구소의 물리학자 Pascal Puphal은 "이것이 바로 우리가 단결정을 만들어봐야하는 이유입니다. 단결정이 있어야 그 물질의 특성을 명확하게 이해할 수 있지요."라고 말했다.


우리가 얻은 교훈

많은 연구자들은 이번 여름 동안의 초전도체 이슈로부터 무엇을 배울 수 있었는지 회고해보고 있다.


프린스턴 대학의 고체화학자 Leslie Schoop은 플랫밴드 논문에 공저자로 참여하면서 너무 이른 계산에 대한 교훈을 얻었다. "LK-99 이전에도 저는 DFT를 적용하는데 있어 조심해야만 한다고 말해왔습니다. 이제 다음 여름 학기에 써먹을 수 있는 완벽한 이야기를 얻어냈군요."


Jain은 오래되고 흔히 경시되는 데이터라도 중요하다고 지적했다. 그가 Cu2S의 저항에 대해 참고한 논문은 1951년 출판되었다.


일부 과학자들은 LK-99의 이야기를 과학에서 재현성 문제를 위한 예시로 들 수 있다고 말하지만 한편으로는 이례적으로 빠르고 명쾌하게 풀린 퍼즐이라고도 평했다. Fuhrer 교수는 "이러한 물질들은 매우 느린 죽음을 맞이하기 마련입니다. 소문만 무성하고 아무도 재현할 수 없기 때문이죠."라고 말했습니다.


Vishik은 산화구리 초전도체가 1986년 발견되었을 때 과학자들은 그 성질을 이해하기 위해 노력을 기울여 40년이 지난 후에도 산화구리의 초전도성 기전에 대한 설명에는 논쟁의 여지가 남아있다고 말했다. LK-99에 대한 설명은 쉽게 이루어진 셈이다. "과학자들이 각각의 연구를 통해서 찾아낸 조각을 모아 결론을 내리는 과정은 굉장히 멋지다 생각합니다. 드물기도 한 일이구요."


References

Lee, S. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12037 (2023).

Lee, S. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.4855arXiv.2307.12008 (2023).

Guo, K., Li, Y. & Jia, S. Sci. China Phys. Mech. Astron. https://doi.org/10.1007/s11433-023-2201-9 (2023).

Zhu, S. et al. Preprint at arXiv https://arxiv.org/abs/2308.04353 (2023).

Jiang, Y. et al. Preprint at arXiv https://arxiv.org/abs/2308.05143 (2023).

Puphal, P. et al. Preprint at arXiv https://arxiv.org/abs/2308.06256 (2023).

Jain, P. Preprint at arXiv https://arxiv.org/abs/2308.05222 (2023).