초록 ▼

1986년에 발견된 고온초전도체는 높은 임계온도와 실용화 가능성으로 인하여 고체 물리학의 최첨단 분야로서 세계 각국에서 연구되어 왔고 재료 및 소자 연구에서 많은 성장이 있었다. 그러나 가장 중요한 문제인 고온초전도 현상의 기본원리 규명은 아직도 이루어지지 않고 있다. 현재로서는 전자-격자진동 상호작용에 의거한 전통적인 BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론은 적용될 수 없다는 것이 일반적인 인식이며, 그동안 제시되어 온 여러 이론들은 고온 초전도 현상의 부분적인 설명에 그치고 말았다. 본연구에서

1986년에 발견된 고온초전도체는 높은 임계온도와 실용화 가능성으로 인하여 고체 물리학의 최첨단 분야로서 세계 각국에서 연구되어 왔고 재료 및 소자 연구에서 많은 성장이 있었다. 그러나 가장 중요한 문제인 고온초전도 현상의 기본원리 규명은 아직도 이루어지지 않고 있다. 현재로서는 전자-격자진동 상호작용에 의거한 전통적인 BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론은 적용될 수 없다는 것이 일반적인 인식이며, 그동안 제시되어 온 여러 이론들은 고온 초전도 현상의 부분적인 설명에 그치고 말았다. 본연구에서는 고온초전도의 원리 규명을 위한 선도적 실험으로서 초전도전류를 형성하는 전하운반자와 초전도 전자쌍을 묶는 매개체로서의 다체여기자를 주요 연구대상으로 하여 낮은에너지 영역을 탐색할 수 있는 적외선 분광측정실험을 수행하였다. 초전도체의 적외선 영역 성질은 초전도 에너지 간격(superconducting energy gap)과 Cooper-전자쌍의 형성을 매개하는 다체여기(collective excitation)를 포함하며 실험결과로 얻어지는 동적전도도(dynamic conductivity)의 실험-이론 계산의 비교를 가능하게 한다.본연구의 주요 결과로서 TlBaCaCuO 정공첨가형 초전도체는 기존의 Drude Model과는판이하게 다른 전자간 혹은 다체여기에 의한 강충돌성을 보여주며 Fermi 액체이론의 범주를 벗어나는 영역에 속하는 성질을 나타내었다. 이러한 특이한 정상상태 (anomalousnormal state)는 결국 초전도성 유발에 관련하는 전하자간의 충돌 및 상호작용을 나타내므로 고온 초전도성의 형성에도 깊이 관여할 것이고 이론적으로 반드시 이 특이성을 설명할수 있어야 한다는 실험적 제한(experimental constraint)을 의미한다. 한편 SmCeCuO 전자첨가형 초전도체는 첨가에 따른 c축 격자진동의 추가효과(extra mode)를 보여주며 격자진동의 온도변화가 미미하여 전통적인 BCS 이론의 전자-격자진동 상호작용 설명이 부적절한것으로 드러났고 정공첨가형 초전도체와도 c축 Josephson plasmon의 부재등 미묘한 차이를보였다. HgBaCuO 수은계 초전도체의 경우에도 BCS형의 s-wave 대칭성보다는 d-wave의 대칭성, 즉 넓은 분포의 Gap 형태 가능성을 시사하는 결과를 얻었으며 마지막으로YBaCuO와 BaPbO의 복합체를 구성하고 적외선 성질측정을 통하여 이 구조가 이상적인 복합체의 성질을 보이며 거대시설응용에 유리한 bulk 고온초전도 재료로 유망하다는 결과를제시하였다. 본 연구가 진행되는 동안 보고된 microwave 실험과 Josephson-junction 실험등도 함께 참고하여 내릴 수 있는 결론은 종래의 BCS와는 판이하게 다른 d-wave의 대칭성과 비격자성 초전도의 가능성이 높으며 이것은 특이 정상상태와도 밀접히 관련된다는 점이다. 한편 c축의 Josephson plasmon 존재여부와 이방성 문제도 기존 BCS이론과Anderson 이론이 전자첨가형에 바로 적용되지 않음을 보여준다 하겠다. 이상의 연구 결과는 더 많은 시료와 물질상에 한 실험자료 추가와 이론계산과의 연계적 이해로서 종국적인고온초전도 현상이해에 기여할 수 있으리라고 생각된다.

Abstract ▼

High-temperature superconductivity, discovered in 1986, hasbeen the forefront of solid state physics with notable advances in synthesis and deviceapplications as a result of world-wide research over the last decade. The basicmechanism, however, is yet to be elucidated. It is now widel

High-temperature superconductivity, discovered in 1986, hasbeen the forefront of solid state physics with notable advances in synthesis and deviceapplications as a result of world-wide research over the last decade. The basicmechanism, however, is yet to be elucidated. It is now widely recognized that BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) theory based on electron-phonon coupling alone cannotexplain the phenomena and recent theories proved to be incomplete at best. We havecarried out infrared spectroscopy of high-temperature superconductors to probelow-energy excitations of superconducting electrons and pair-mediating collective modes.Our study provides experimental data of dynamic conductivity containing information onthe superconducting energy gap and collective modes mediating Cooper-pair formation,with their theoretical predictions.Our investigations included a number of relatively new materials such asTlBaCaCuO, a typical hole-doped type, which exhibits strong interelectronic or collectivescattering to an extent that one cannot understand this within the usual Fermi liquidtheory. This represents interaction which ultimately causes Cooper-pair formation andany proper theory should be able to explain it, that is, it serves as an experimentalconstraint. SmCeCuO, a representative electron-doped type, exhibits doping-inducedextra phonon mode and the weak temperature variation of its phonon frequencies actsagainst traditional BCS theory based on electron-phonon coupling. Experimental resultson HgBaCuO again showed that its superconducting-state spectra are more consistentwith d-wave symmetry (distributed gap) rather than with s-wave. Finally, ourinfrared study on YBaCuO-BaPbO composites demonstrated that the system is anexcellent candidate for macroscopic applications. In view of other recent results onmicrowave properties and Josephson-junction experiments, it seems quite reasonable toconclude that high-temperature superconductors are best described by d-wave symmetryand non-phononic mechanism, together coupled to the anomalous normal state, all ofwhich are completely different from those of the traditional BCS theory. Furthermore,the existence of c-axis Josephson plasmons and optical anisotropy together stand incontrast to BCS theory and for that matter Anderson's interlayer tunneling theory aswell, at least in electron-dope types. We believe our results of infrared study inconnection with the aforementioned issues of central importance will ultimately helpunderstand the basic mechanism of high-Tc superconductivity as we make furtherexperimental and theoretical progress.

목차 Contents

• (1) 서론...7
• (2) 연구방법 및 이론...9
• (3) 결과 및 고찰...11
• (A) TlBaCaCuO 초전도체...11
• (B) SmCeCuO 초전도체...13
• (C) HgBaCuO 초전도체...15
• (D) YBaCuO-BaPbO 초전도-산화금속 복합재...17
• (4) 결론...19
• (5) 인용문헌...20
• 연구수행관련 논문발표목록서...21
• 자체평가서...23