[논문 리뷰] Coexistence of Diamagnetism and Vanishingly Small Electrical Resistance at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures

Dev Kumar Thapa, Saurav Islam외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 23.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 대기 온도와 압력에서 은 나노입자를 금 매트릭스에 내장한 나노구조 은 입자에서 임계 온도 이하에서 극히 작은 전기 저항(~2 μΩ)과 강한 반자성의 공존을 보고한다(T_C는 최대 286 K). 이 물질은 전기 저항도(~10^{-12} Ω·m)로서 귀금속보다 최소 4개 항목 낮아, 공학적으로 설계된 나노구조에서 실온 초전도성의 잠재성을 시사한다.

ABSTRACT

The great practical utility has motivated extensive efforts to discover ultra-low resistance electrical conductors and superconductors in ambience. Here we report the observation of vanishingly small electrical resistance at the ambient temperature and pressure conditions in films and pellets of a nanostructured material that is composed of silver particles embedded into a gold matrix. Upon cooling below a sample-specific temperature scale ($T_{C}$) as high as $286$ K, the film resistance drops below $\sim 2μΩ$, being limited by measurement uncertainty. The corresponding resistivity ($\sim 10^{-12}$ $Ω$.m) is at least four orders of magnitude below that of elemental noble metals, such as gold, silver or copper. Furthermore, the samples become strongly diamagnetic below $T_{C}$, with volume susceptibilities as low as -0.056. We additionally describe methods to tune $T_{C}$ to temperatures much higher than room temperature.

연구 동기 및 목표

• 실온 조건에서 작동하는 초저저 저항 도체 및 초전도체를 발견하는 것.
• 나노구조 재료에서 초전도성 유사 저항과 반자성을 동시에 나타내는지 조사하는 것.
• T_C를 실온 이상으로 조절 가능한 시스템을 설계하는 것.
• 나노구조 복합체에서 저항이 사라지고 반자성 반응이 발생하는 물리적 메커니즘을 탐색하는 것.

제안 방법

• 통제된 합성 및 소결을 통해 금 매트릭스에 은 나노입자를 내장한 박막 및 펠릿의 제조.
• T_C를 특정하기 위해 다양한 온도에서 전기 저항과 자화율 측정.
• SQUID 기반 자화도 측정을 이용해 반자성 반응을 정량화하고 메이서너 유사 거동을 확인.
• 은 나노입자의 크기, 분포 및 매트릭스 조성 제어를 통해 T_C 조절.
• 접촉 저항에서 비물리적 특성의 영향을 분리하기 위해 사점 프로브 기법을 이용한 저항도 분석.
• 나노구조 형태의 체계적 변화를 통해 구조적 매개변수와 초전도 전이 온도 및 저항 억제 간의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 극도로 작은 전기 저항과 강한 반자성이 실온 및 대기압 조건에서 나노구조 재료에서 공존할 수 있는가?
• RQ2 Ag/Au 나노구조에서 달성 가능한 최대 T_C는 얼마이며, 이를 실온 이상으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 Ag/Au 나노구조의 저항도가 양자 저항 한계에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ4 T_C 이하에서 자성 반응의 성격은 무엇이며, 자기장의 메이서너 유사 추출을 확인하는가?
• RQ5 나노구조 형태와 조성은 초전도 전이와 저항 억제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• T_C 이하에서 전기 저항이 ~2 μΩ 이하로 떨어지며, 측정 불확도 이외에는 제한이 없어 근접 제로 저항 거동을 나타낸다.
• 저항도는 약 ~10^{-12} Ω·m에 도달하여, 금, 은, coppe의 원소 금속보다 최소 4개 항목 낮다.
• T_C 이하에서 부피 자화율이 -0.056에 도달해 강한 반자성 반응을 확인한다.
• T_C는 최대 286 K(13°C)에 도달해 근접 실온 조건에서 초전도성 유사 거동을 보여준다.
• 은 입자의 크기와 분포를 제어한 나노구조 공학을 통해 T_C를 더 높은 온도로 조절할 수 있다.
• 단일 재료 체계에서 근접 제로 저항과 강한 반자성이 공존함으로써, 나노구조 복합체에서 비정상적인 초전도성의 발생을 지지한다.