초전도체란
물리학의 중요한 분야 중 하나인 초전도체는 현대 기술의 핵심 부분으로 자리잡고 있다. 초전도체는 특정 온도에서 전기 저항이 없는 물질로, 주로 저온 상태에서 작동한다. 이 특성은 초전도체가 특정 온도 아래에서만 나타나는 현상인 “초전도” 현상에 기인한다. 이 현상은 초기에는 알루미늄 등의 금속에서 발견되었지만, 이후에는 다양한 물질에서 발견되었다. 초전도체는 주로 BCS 이론에 따라 설명되는데, 이 이론은 전자들이 겹쳐진 에너지 상태인 “쿠퍼 페어”를 형성하여 전기 저항이 사라지는 현상을 설명한다. 쿠퍼 페어는 전자들이 서로 반대 방향으로 이동하며 서로를 인지하지 않게 될 때 발생한다.
초전도체는 다양한 응용 분야에서 사용된다. 그 중 가장 잘 알려진 것은 의료 영상 촬영에 사용되는 MRI (자기 공명 영상) 장비다. 초전도자성을 활용하여 이미지를 생성하므로, 높은 화질과 해상도를 제공할 수 있다. 또한, 자기 부상력을 활용한 마그리테인(Maglev) 기술은 고속 철도와 같은 교통 시스템에서도 적용되어 속도와 안전성을 향상시킨다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨터와 같은 첨단 기술에서도 중요한 역할을 하는데, 초전도체를 사용하면 전류가 흘러가는 동안 에너지 손실이 거의 없기 때문에, 양자 상태를 보존하는 데 이상적이다.
초전도체의 잠재적인 혁신은 매우 크다. 신 소재의 발견과 고온 초전도체의 개발은 초전도체의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 현재 대부분의 초전도체는 저온에서만 작동하기 때문에, 고온 초전도체의 개발은 사용범위를 확대할 수 있다. 또한, 초전도체를 활용한 새로운 양자 컴퓨터 및 퀀텀 통신 기술의 발전도 예상된다. 이러한 혁신은 우리의 삶을 더욱 편리하고 안전하게 만들 것으로 기대된다.
종합하면, 초전도체는 현대 과학과 기술에서 중요한 역할을 하는 재료다. 그것은 전기 저항이 없으므로 많은 산업 분야에서 사용되고 있으며, 미래에는 더 많은 혁신과 발전이 기대된다. 이러한 혁신은 우리의 삶을 더욱 편리하고 안전하게 만들 것이다.
초전도 현상
초전도 현상은 임계 온도 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 없어져 전류가 장애 없이 흐르고 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띄게 되는 현상을 가리킨다. 이러한 초전도 현상이 일어나는 물질을 초전도체라고 부른다. 초전도 현상이 일어나는 물질은 외부 자기장을 밀쳐내거나 전기 전류가 흐르는데 저항이 발생하지 않는 등의 성질을 보이는 것으로 대체로 그 물질의 온도가 영하 240˚C 이하로 매우 낮거나 구리나 은과 같은 도체의 경우에는, 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이 어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다. 절대영도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다. 반면 초전도체의 저항은 온도가 “임계 온도” 값보다 아래로 내려가면 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다. 강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다. 초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 “완전 도체” 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.
초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고, 다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다. 한편 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며, 순수한 강자성 금속에서도 나타나지 않는다.
1986년에는 구리-페로브스카이트(perovskite) 계 세라믹 물질에서 임계 온도가 90 K(켈빈)을 넘는 고온 초전도체가 발견되었는데, 이 때문에 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다. 순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다. 게다가, 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인 액체 질소의 비등점 (77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라, 좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.
마이스너 효과
초전도체가 약한 외부 자기장 H 안에 놓이게 되면, 자기장은 초전도체를 완전히 투과하지 못하고 대략 두께 λ만큼만 투과하게 된다. 이 두께를 런던 투과 깊이(London penetration depth)라고 하는데, 초전도체에 들어간 자기장은 이보다 더 깊은 곳에서는 급격히 감쇄하여 0이 된다. 이것을 마이스너 효과라 하며, 초전도체의 중요한 성질 중의 하나이다. 대부분의 초전도체의 경우에 런던 투과 깊이는 100 nm 정도이다.
마이스너 효과는 때때로 이상적인 도체에서 나타나는 반자성의 일종과 혼동하기 쉬우나, 다른 효과이다. 렌츠의 법칙에 따르면, 전도체에 변화하는 자기장이 가해지면 전도체 전류가 유도되면서 가해진 자기장의 반대 방향으로 자기장이 생긴다. 이상적인 도체에서는 흐를 수 있는 전류의 값에 제한이 없으며, 이 전류로부터 유도된 자기장은 외부에서 가해진 자기장을 정확히 상쇄시킨다. 그러나 초전도체는 자기장이 변화하든 변화하지 않든 모든 종류의 자기장을 밀쳐낸다. 즉, 일정한 자기장이 가해지고 있더라도 자기장을 밀쳐낸다. 물질이 임계 온도 이하로 냉각되면, 물질의 내부 자기장이 갑작스레 밀쳐지는 현상이 나타나는데, 이것은 렌츠의 법칙과 무관하다.
마이스너 효과는 프리츠 론돈(독일어: Fritz London)과 하인츠 론돈(독일어: Heinz London) 형제가 이론적으로 설명하였다. 초전도체에서 전자기적 자유 에너지는 아래와 같은 경우에 최소화가 된다.