아르고네 국립연구소, LK-99 재현 실험 시도

• 한국 Quantum Energy Research Centre 연구진의 상온·상압 초전도체 주장에 대해 Argonne National Laboratory 등 여러 연구진이 재현 실험에 들어갔지만, 물리학자들은 논문 세부 정보와 데이터 품질 때문에 신중한 반응을 보임
• 7월 22일 arXiv에 올라온 두 편의 비동료심사 프리프린트는 구리로 도핑한 납·산소·인 기반 물질이 상압에서 최소 400K까지 저항 없이 전류를 흘린다고 주장함
• 근거는 제로 저항과 자기장 배척처럼 초전도성을 가리키는 데이터지만, 일부 전문가는 데이터 제시 방식이 어설프고 물리적 설명이 충분하지 않다고 봄
• 회의론은 출발 물질인 납 아파타이트가 비전도성 광물이고, 구리 치환이 전기적 성질을 크게 바꾸기 어려우며, 무거운 납 원자가 전자쌍 형성을 방해할 수 있다는 점에 집중됨
• 재현 여부가 판정 기준이며, 납 아파타이트 자체는 잘 알려진 물질이지만 4일짜리 다단계 소량 고체상 합성은 소셜 미디어 반응만큼 단순하지 않음

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상온·상압 초전도체 주장과 재현 경쟁

• 한국 Quantum Energy Research Centre의 Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim과 동료들은 7월 22일 arXiv에 두 편의 관련 프리프린트를 올림
• 핵심 주장은 구리로 도핑한 납·산소·인 기반 물질이 상압에서, 물의 끓는점보다 높은 최소 400K까지 초전도성을 보인다는 것임
• 사실이라면 응집물질물리학의 큰 발견이 될 수 있고, 부상 차량이나 매우 효율적인 전력망 같은 기술적 가능성과도 연결됨
• 다만 논문은 세부 내용이 부족해 여러 물리학자가 데이터와 제시 방식에 회의적임
• Argonne National Laboratory를 포함한 여러 연구진은 이미 이 물질을 만들고 재현 실험을 시도하고 있음

초전도체가 중요한 이유

• 초전도체는 전기 저항 없이 전류를 전달할 수 있는 물질임
• MRI 장비의 큰 전자석은 초전도 전선으로 만들어지며, 저항 없는 전류 흐름 덕분에 가열이나 막대한 에너지 소비 없이 강한 자기장을 만들 수 있음
• 무선 통신용 주파수 필터부터 입자 가속기까지 다양한 분야에서 초전도체가 활용됨
• 일반적인 결정성 고체에서는 전자가 격자의 진동하는 원자에 부딪혀 쉽게 이동하지 못함
• 일부 물질은 충분히 낮은 온도에서 전자가 느슨하게 묶인 전자쌍을 만들고, 낮은 온도의 격자 진동은 이 쌍을 깨뜨릴 만큼 강하지 않아 전자가 방해 없이 이동함

기존 초전도체와 고온 초전도체의 맥락

• 납, 수은, 나이오븀, 주석 같은 여러 원소 금속과 합금은 절대영도 근처까지 냉각되면 초전도체가 됨
• 1950년대 물리학자들은 기존 초전도체에서 격자 진동이 전자쌍을 만드는 접착제 역할을 한다고 설명함
• 1980년대에는 구리와 산소 층을 포함한 복합 화합물이 최대 133K에서 초전도성을 보인다는 사실이 확인됨
• 이후 철과 비소 층을 포함한 화합물도 거의 비슷한 온도에서 초전도성을 보일 수 있음이 발견됨
• 최근에는 수소, 황, 탄소를 포함한 화합물이 고압에서 실온 초전도성을 보였다는 논란 있는 주장도 있었음

한국 연구진이 내놓은 근거

• 프리프린트는 흔한 원소인 납, 산소, 인으로 된 물질을 구리로 “seasoned” 또는 도핑하면 궁극적인 초전도체가 된다고 주장함
• 주장대로라면 시료를 구워 만든 뒤 실험대 위 상온·상압 상태에 두어도 저항 없이 전류를 흘릴 수 있음
• 연구진은 저항이 0이 되는 데이터와 함께, 물질이 자기장을 밀어내는 것처럼 보이는 데이터도 내놓음
• 자기장 배척은 초전도성을 판단할 때 중요한 징후로 다뤄짐
• 해당 프리프린트들은 동료심사를 거치지 않았고, Science의 논평 요청에 연구진은 응답하지 않음

물리학자들이 의심하는 이유

• Michael Norman은 논문 작성자들이 초전도성에 대해 많이 알지 못하는 것처럼 보이며, 일부 데이터 제시 방식도 수상하다고 봄
• 첫 번째 문제는 도핑 전 물질인 납 아파타이트가 금속이 아니라 비전도성 광물이라는 점임
  • 초전도체를 만들기 위한 출발점으로 유망하지 않다는 판단임
• 두 번째 문제는 납 원자와 구리 원자의 전자 구조가 비슷해, 일부 납을 구리로 치환해도 전기적 성질이 크게 바뀌기 어렵다는 점임
  • Norman은 “돌에서 시작했으면 여전히 돌이 나와야 한다”는 식으로 표현함
• 세 번째 문제는 납 원자가 매우 무거워 격자 진동을 억제하고, 전자쌍 형성을 더 어렵게 만들 수 있다는 점임
• Nadya Mason은 연구진이 적절한 데이터를 얻고 제작 기술을 비교적 분명히 제시한 점은 긍정적으로 보지만, 데이터 자체는 다소 조잡하다고 평가함

제안된 메커니즘과 남은 의문

• 논문들은 물질 안에서 어떤 물리가 작동하는지에 대한 탄탄한 설명을 제공하지 않음
• 연구진은 도핑이 자연적으로 존재하는 긴 납 원자 사슬을 약간 왜곡하고, 초전도성이 이 1차원 채널을 따라 생길 수 있다고 추측함
• Norman은 1차원 시스템이 일반적으로 초전도성을 만들지 않는다는 점에서 이 주장이 놀랍다고 봄
• 도핑으로 생긴 무질서도 초전도성을 더 억제해야 한다는 점이 또 다른 의문으로 남아 있음
• Mason은 Lee와 Kim이 사슬 안에 전하의 물결 같은 패턴이 있을 수 있다고 제안했으며, 유사한 전하 패턴이 고온 초전도체에서도 관찰된 적이 있다고 봄

재현 실험이 판정 기준

• 핵심 질문은 다른 연구진이 같은 관찰 결과를 재현할 수 있는지임
• Norman은 납 아파타이트가 잘 알려진 물질이므로 다른 연구진도 합성할 수 있을 것이라고 봄
• 다만 합성 과정은 소셜 미디어 일부 반응처럼 간단하지 않음
  • Jennifer Fowlie는 “4일짜리 다단계 소량 고체상 합성”이 이상하게 쉬운 일처럼 받아들여지고 있다고 지적함
• 물리학자들은 이 주장을 매우 빠르게 시험할 예정임
• Norman은 “이게 진짜라면 일주일 안에 알게 될 것”이라고 말함

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 이 과정 전체에 과학 출판사가 전혀 끼지 않았다는 점이 정말 멋짐. 논문은 arXiv에 올라갔고, 논란이 생겼고, 이제 국립연구소가 검토 중인데, 학술지 투고 없이 진행되고 있음

  • 학계에 있는 입장에서 최근 드러나는 난장판을 꽤 즐기고 있음. 과학은 수천 년 동안 학술지와 학회가 무엇이 “맞는지” 정하지 않아도 잘 굴러갔고, 지금의 방식은 실패한 실험에 가까움
    학술지는 원래 연구자들이 서로 우편으로 보내던 방식보다 더 잘 배포하려고 시작된 것임. arXiv는 동료 검토에 좋고, 연구물이 실제로 공개되어 있어서 유료 장벽 뒤가 아니라 동료들이 검토할 수 있음
    더 나아가 OpenReview를 쓰면 논의를 추적할 수 있어 좋겠지만, 연구를 공개 소스로 내본 사람이라면 “모델은 학습했는데 테스트는 어떻게 하나요?”, “CUDA 메모리 부족 오류는 어떻게 고치나요?” 같은 질문이 쏟아져 금방 지저분해질 수 있다는 것도 알 것임. arXiv와 프리프린트도 동료 검토의 장임
  • LK-99가 초전도체라고 보지는 않음. 하지만 박사 학위를 받은 실험 화학자이자 국립연구소에서 일하는 입장에서, Twitch나 Twitter 스트리머들이 초전도체를 만들지 못하더라도 그것만으로는 아무것도 증명되지 않음
    실험과 공정은 어렵고 아주 까다로움. 거시적인 공정으로 나노스케일 물질을 만들기를 기대하는 셈이고, 화학은 볼핀 해머로 마이크로칩을 만드는 것 같을 때가 있음. “아세톤 3.8mL에서 30초 동안 70번 치면 단일 결정 구조가 생긴다. 71번도 69번도 치면 안 된다” 같은 식임
    화학자들은 절차를 명확히 설명하면서도, 숙련된 실험가가 알아내는 데 1~2년 걸릴 수 있는 무의미해 보이는 핵심 디테일을 빼먹는 데 전문가임. 게다가 이번 절차는 명확하게 정리된 것도 아님
    최선의 경우는 의욕적인 아마추어가 재료 합성을 시도하고, 의도한 것보다 덜 완벽하게 작동하는 모습을 지켜보는 것임. 이후 5주, 10주, 150주 동안 같은 일을 반복해 문제가 자연 때문인지 기술 때문인지 확인할 끈기와 철저함에 베팅해볼 만함
  • “과학 출판사가 전혀 끼지 않았다”는 점은 1989년 상온 핵융합 파동도 그랬던 것으로 기억함
    이번이 같은 실패라고 말하려는 건 아니지만, 34년 전에는 arXiv가 아니라 기자회견과 초안 유통으로 진행됐음
  • 왜 실험을 재현해보기 전에 임의의 학술 기관에 제출될 때까지 기다려야 하는지 모르겠음. 현대 과학의 문제는 모든 것이 너무 학계 절차에 묶여 있다는 데 있음
  • 어딘가에서 읽기로는 Einstein 시대나 그 이전에는 아이디어를 세상에 내놓는 데 관료주의가 거의 없었다고 함

• 매우 회의적이지만, 우연처럼 보이는 현상을 다룰 때는 재현 자체보다 원 주장 검증이 더 중요함
  독립 연구소의 장비와 인력을 현장에 보내거나, 물질 샘플을 독립 연구소로 보내 검증하게 해야 함. 기적이 실제라면 X선 분광·회절 같은 재료 분석과 여러 검사를 수행할 수 있어야 함
  어쩌면 부주의로 생긴 특정 오염이 모든 조건을 맞춰 초전도체처럼 보이게 만든 사고일 수도 있고, 그런 경우 다른 사람들이 쉽게 재현하지 못할 수 있음

  • 이런 걸 Hyde 현상이라고 불러도 될 듯함
    Jekyll의 비자발적 변신은 점점 잦아졌고 되돌리려면 더 많은 혈청이 필요했으며, 결국 혈청에 쓰던 소금이 부족해졌고 새 재고로 만든 배치는 작동하지 않았음. Jekyll은 원래 재료에 효과를 내는 불순물이 있었던 것 같다고 추측했음
    https://en.wikipedia.org/wiki/Jekyl_and_Hyde#Plot
  • 샘플을 다른 연구소에 보내 분석하게 하면 충분해 보임
    만들기 꽤 쉽다고들 느끼는 것 같지만, 어쨌든 샘플이 있으면 주장된 성질이 있는지 확인하고 무엇으로 되어 있는지 분석할 수 있음
  • 나도 불길한 느낌이 듦. 원래 연구가 틀렸거나, 아니면 일회성 우연 때문에 재현이 어려운 쪽일 수 있음
    다만 고체 물리 실험실에서 실제로 무엇이 가능한지 완전히 아는 건 아니지만, 적절한 연구실과 장비가 있으면 이 물질을 만드는 일이 아주 끔찍하게 어려워 보이지는 않음. 곧 어느 쪽인지 알게 되길 바람
  • MIT 연구진이 이미 현장에 가서 이런 검증을 하고 있는 것으로 알고 있고, 다른 팀들도 있을 가능성이 큼
  • 왜 본인들이 실험을 다시 재현하지 않는지 모르겠음. 두 번 만들 수 있다면 우연은 아니고, 최악이어도 그 연구실에 특이적인 무언가임
    두 번째로 못 만들면 문제는 정리됨. 모든 걸 다시 돌리려면 시간과 돈이 많이 들겠지만, 지구 전체가 필요한 자원을 제공할 준비가 된 것처럼 보임

• 기사에서 관련 있는 부분은 “Argonne과 다른 곳의 연구자들이 이미 실험 재현을 시도하고 있고, 여기 사람들은 진지하게 받아들이며 이 물질을 키워보려 한다”는 대목뿐임
  제출된 제목은 편집이 많이 들어간 제목이고, Argonne에서 조직적 노력이 있다는 뜻까지는 전혀 아님

  • 제출된 제목에 뭐가 문제인지 모르겠음. 좁은 제목이긴 하지만, 실제로 재현을 시도 중이라고 말할 뿐이고 그건 맞음
    오히려 “진지하게 받아들인다”는 표현이 더 강하고, 제출 제목은 약간 덜 팔아먹은 쪽에 가까움
  • 기사에서 제일 좋은 부분은 “절구공이를 너무 많이 써서 물집 잡혀본 적 없는 사람들이 티가 난다”는 문장임
  • 원제인 “A spectacular superconductor claim is making news. Here’s why experts are doubtful.”가 더 나은지는 모르겠음. 그냥 “어떤 일이 일어났다” 수준의 표준 제목임
    기사에서 핵심적인 부분을 제목으로 잡았고, HN에서는 흔한 방식임. 부제는 이미 아는 “회의론이 많다”는 내용일 뿐임. 적어도 나를 포함한 일부에게는 합법적인 미국 정부 연구소들이 연구 중이라는 점이 새로웠고, 그게 뉴스 가치임
  • 맞음. 게다가 기사도 이틀 전 것이라 이 주제에서는 이미 고대 문서에 가까움

• Norman이 납 원자가 너무 무겁다고 불평한 부분은 알려진 다른 초전도체 조성과 잘 맞지 않아 보임. 내가 알기로 가장 널리 쓰이는 구리산화물 초전도체는 BSCCO이고, 세계 최초 초전도 전력선에도 쓰였음
  https://en.wikipedia.org/wiki/Holbrook_Superconductor_Projec...
  “납과 구리 원자는 전자 구조가 비슷하므로 납 원자 일부를 구리 원자로 치환해도 전기적 성질에 큰 영향을 주지 않아야 한다”는 주장도 이상함. 주장된 납(II) 이온은 전자 수가 짝수이고, 구리(II)는 홀수임. 구리(I)가 있다면 전하 자체가 달라짐. 물리학자에게서 듣기엔 매우 혼란스러운 논리임
  또 “도핑되지 않은 납 인회석은 금속이 아니라 비전도성 광물”이라는 대목도 구리산화물과 철 기반 초전도체가 금속이 아니라는 점과 맞지 않음. 일부는 정상 조건에서 모트 절연체이기도 함
  LK-99에 회의적일 이유는 있지만, 이 논리는 그 이유가 아님

• 다른 과학자들은 LK-99가 초전도체가 아니라 강한 반자성체일 뿐이라고 보는 흐름이 있는 듯함
  물리학자가 아닌 입장에서는 그 자체로도 쓸모가 있는지 궁금함. Wikipedia를 훑어보면 강한 반자성 물질이 그리 많아 보이지 않는데, 새 물질 발견이라면 세상을 뒤흔들 정도는 아니어도 큰 발견일 수 있지 않을까 싶음

  • 반자성이 어떻게 생기느냐에 달려 있음. 물질이 국소적으로는 초전도성이지만 전체적으로는 아니라면, 큰 발견이 될 수도 있음
    사용 가능한 규모의 초전도성 없이 반자성을 보일 수 있고, 나아가 초전도 영역의 크기를 키우도록 물질을 바꿀 길이 열릴 수 있음. 물론 순전한 추측이고, 더 가능성 높은 쪽은 “그냥” 다른 물질들과 같은 방식의 반자성, 즉 샘플을 이루는 입자들의 전자가 모두 짝지어진 구조일 수 있음
  • 흥미롭긴 하겠지만, 납으로 된 새 반자성체가 나온다고 해서 세상을 바꿀 함의가 있지는 않음. 발견하면 그냥 꽤 멋진 정도임

• 원래 연구에 대한 비판은 있지만, 재현을 쉽게 만들기 위해 꽤 성실하게 자료를 낸 것처럼 보임
  University of Illinois Urbana-Champaign의 응집물질물리학자 Nadya Mason은 저자들이 적절한 데이터를 제시했고 제작 기법을 명확히 했다는 점을 좋게 보면서도, 데이터는 약간 조잡해 보인다고 경고함

• 현재 상황에 대해 꽤 포괄적인 스레드를 썼음. 좀 길고 요약하기 어렵지만 여기에 있음
  https://twitter.com/sanxiyn/status/1685094029116297216

  • 훌륭한 스레드임. 서울 현장에서 나온 거의 유일한 취재성 정리 중 하나임
    링크한 논문 반박들, 특히 CMTC가 F를 준 것은 치명적임. William & Mary의 Kim 교수 한 명은 실제로 정식 학자이고 아주 작은 역할을 했지만, 점점 “Q-Centre”의 괴짜 몇 명이 낸 결과물처럼 보임
    작업 대부분은 Kim이 관여하기 전에 이뤄졌고, 그는 지금까지 나온 논문 3편 중 1편에만 이름이 있음. 이 전체에서 유일한 정당성의 실마리지만, 매우 가느다란 실마리임. 나머지 5명은 그냥 이상해 보임
  • 로그인하지 않은 사람도 읽을 수 있는 미러 링크가 있으면 올려주면 좋겠음
  • 논문이 엉망처럼 보이는 이유는 공을 인정받고 싶어 한 전 팀원이 무단으로 유출했기 때문임. 원래 아직 공개될 논문이 아니었고, 동료 검토는 계속 진행 중임

• EEVblog가 이 사안에 대해 낸 영상은 꽤 웃김. 못 봤다면 여기 있음: https://www.youtube.com/watch?v=QHPFphlzwdQ

  • 시끄럽고 불쾌하게 구는 것과 맞는 말을 하는 것은 기껏해야 서로 독립적인 문제임. LK-99에 대해 어느 편도 들고 있지는 않음
  • “매달린 구리판” 시연이 그냥 와전류를 보는 거라면 어떻게 보일지 궁금했음. 그런 경우 큰 움직임은 안 보일 것이라고 막연히 생각했는데, 아니면 시연 자체가 멍청해 보이기 때문임
    그 데모를 보면 정말 기적의 물질을 보여주기엔 멍청한 방식처럼 보이고, 신뢰가 생기지 않음
  • 더 많은 사람들이 이걸 알아채지 못했다는 점이 실망스럽고, 걱정스럽기까지 함. 우리 중 누구라도 눈치챌 수 있었던 부분임
  • 좋은 지적은 있지만, 태도는 정말 역겨움

• 왜 주장대로 만들었다는 초전도체 샘플을 분석하자고 하지 않는지 모르겠음. 다들 제조법을 따라 재현하는 얘기만 하는데, 증거는 완성된 물질 안에 있는 것 아닌가

• 내게 핵심은 지난 20년 동안 이 분야에 어느 정도 진전이 있었기에, 충분히 상온에 가까운 초전도성 주장이 이제는 곧바로 일축되지 않는다는 점임
  내가 늙어서 백발이 될 즈음에는 모든 것이 자기부상으로 움직일지도 모르겠음

  • 상온은 아니지만, 일본의 SCMaglev 노선처럼 실용 구현이 진전되는 모습을 보는 건 매우 흥미로움