[이슈]초전도체

초전도체

안녕하세요! 이번에는 초전도체와 상온 초전도 현상에 대해 알아보겠습니다. 현재 한국에서는 상온 초전도체인 LK99에 굉장히 열광하고 있습니다. 그래서 오늘 초전도체가 뭔지 알아볼게요!

 

초전도체는 전기저항이 0인 특별한 물질로, 영하 247도까지 냉각되어야만 초전도 현상이 나타납니다. 이로 인해 초전도체의 활용은 주변에서는 어렵지만 미래 에너지 산업 등에서 큰 파급효과를 기대하고 있습니다.

출처:https://i.namu.wiki/i/Lmx1ek2dsoxN_XSVSlScTPzYtULKMIPT48PP91QC3vdD0kn2juUQiRWVLxsNvdP_a19ZiVOKboUXfpZDaztliA.webp

과학계에서는 저항이 없는 도체를 초전도체 또는 Superconductor라고 합니다. 초전도체는 전기를 전달할 때 전기저항이 없는 특성을 가지고 있으며, 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 영원히 전류가 흐르게 됩니다. 실험에 의하면 초전도체 안 전류의 수명은 적어도 10만년 이상이며, 이론상으로는 우주의 나이보다도 긴 10의 천만제곱 초로 거의 영원하다고 할 수 있습니다.

초전도 현상의 역사는 100여년 전으로 거슬러 올라갑니다. 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스라는 과학자가 액체 헬륨을 이용한 극저온 실험을 하던 중, 헬륨의 액화온도인 4.2K 근처에서 수은의 전기저항이 갑자기 사라지는 현상을 발견했습니다. 이렇게 낮은 온도에서 물질이 초전도 현상을 보이는 온도를 임계온도라고 합니다.

카메를링 오너스의 발견 이후에는 수은 이외의 많은 금속에서도 초전도 현상이 관찰되었습니다. 하지만 초전도 현상이 일어나는 원리를 설명할 이론이 없었습니다. 그 이론을 찾는데는 무려 46년이 걸렸으며, 1957년에 미국 일리노이 대학의 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 과학자가 금속 안의 전자들이 전기적인 반발력을 이기면서 하나의 쌍을 이루면 초전도 현상이 나타난다고 설명했습니다. 이렇게 전자가 쌍을 이루는 현상을 쿠퍼쌍이라고 합니다. 이러한 설명을 통해 초전도 현상을 해명한 이론은 'BCS 이론'으로 불리게 되었습니다.

BCS 이론은 이미 설명만 들어도 어렵다는 것을 알 수 있으며, 당시의 과학자들에게는 상당히 어려운 문제였습니다. 양자역학의 기본 방정식인 슈뢰딩거 방정식이 1926년에 나왔는데, BCS 이론이 1957년에 나온 것은 이론을 찾는 과정이 얼마나 어려웠는지를 보여줍니다. 이 어려운 이론을 만든 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 과학자는 1972년에 노벨 물리학상을 받게 되었습니다.

이렇게 초전도 현상은 과학계에서 꼽히는 가장 신기한 현상 중 하나이며, 높은 온도에서 초전도 현상을 설명하는 이론은 아직까지도 완벽하게 발견되지 않았습니다. 그러나 초전도체의 활용 범위와 기술적 파급력은 여전히 매우 크기 때문에 많은 연구자들이 이 분야에 노력하고 있습니다.

 

초전도체는 저항이 0이라는 특징 이외에도 몇 가지 특징을 보입니다.

1. 마이스너 효과 (Meissner Effect): 외부 자기장이 초전도체 내부를 침투하지 못하는 현상을 말합니다. 외부 자기장이 초전도체 내부에 통과할 때 초전류가 형성되고, 이 초전류는 반대 방향의 자기장을 만들어 외부 자기장을 모두 밀어냅니다. 따라서 초전도체가 자기장을 제외한 곳에 떠있는 모습이 관찰되는데, 이것이 마이스너 효과에 기인합니다.
2. 양자고정 현상 (Quantum Locking): 초전도체가 공중에 떠있을 때 움직임이 없는 것은 자석에 의해 밀려나는 힘과 중력이 평형을 이루는 것이 아니라 양자고정 현상에 의해 고정되어있기 때문입니다. 냉각되는 도중에 자기력선의 일부가 초전도체 안으로 포획되고, 완전히 냉각된 후에는 마이스너 효과가 함께 작용하여 잡아당기는 힘과 밀어내는 힘이 균형을 이루면서 초전도체가 허공에 고정되는 것입니다. 이 현상은 자기장의 상태에 따라 초전도체가 특정 위치에 고정되는 흥미로운 현상으로 알려져 있습니다.

전기저항이 0인 초전도체를 활용할 수 있다면 매우 유용하지만, 영하 247도를 유지하는데 상당한 에너지가 필요하기 때문에 실제로는 효율적이지 않습니다. 지구상에서 가장 추운 곳의 온도도 섭씨 영하 100도 보다 높기 때문에 우리 주변에서 초전도체를 활용하기 어렵습니다. 이러한 이유로 과학자들은 더 높은 온도에서도 초전도 특성을 가지는 물질을 찾기 위해 지속적인 노력을 기울이고 있습니다. 초전도체 기술의 발전은 여전히 연구 분야에서 많은 관심과 주목을 받고 있으며, 높은 온도에서도 유용하게 활용할 수 있는 초전도체의 개발은 현대 과학의 한 중요한 과제로 남아 있습니다.

 

이번시간은 자세하지만 자세하지않은 초전도체에 대해서 알아봤습니다!.

다음시간에도 다른 주제를 가지고 찾아뵙겠습니다!