초전도체는 누가 발견했나?

초전도체는 전기 저항이 0인 물질을 말합니다. 즉, 전기가 흘러도 전혀 손실이 발생하지 않는 물질입니다. 이런 놀라운 성질을 가진 초전도체는 어떻게 발견되었고, 어떤 원리로 작동하는지, 그리고 어떤 응용 분야가 있는지 살펴보겠습니다.

 

2023.08.13 - [일상정보] - 요즘 뜨는 정보 초전도체란 무엇일까?

초전도체 발견

 

초전도체를 처음 발견한 사람은 1911년에 내덜란드 라이덴 대학 물리학과 교수인 카멜린온네스(H.K. Onnes)입니다. 온네스는 액체 헬륨을 이용하여 극저온 실험을 하던 중, 수은의 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 관찰했씁니다. 이 때의 온도는 4K(섭씨 -269도) 였으며 온네스는 이 현상을 '슈퍼 전도성'이라고 명명하고, 이 발견으로 1913년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

 

초전도체의 원리

 

초전도 현상은 양자 현상이기 때문에, 일반적인 고전 물리학으로는 설명할 수 없습니다. 초전도 현상을 이론적으로 설명한 것은 1957년에 일리노이 대학의 쿠퍼, 수퍼, 바딘(J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer) 세명의 학자였씁니다. 이들은 금속 안의 전자가 쌍을 이루면 초전도 현상이 나타난다고 주장했습니다. 전자가 쌍을 이루는 것을 쿠퍼의 이름을 따서 '쿠퍼 쌍(Cooper pair)이라고 부릅니다.

 

쿠퍼 쌍은 다음과 같은 방식으로 현성됩니다. 같은 마이너스를 띄는 전자는 서로 밀어내는 성질이 있습니다. 그러나 고체인 초전도체 안에서 원자핵과 전자는 서로 끌어당기는 성질이 있습니다. 전자가 원재학이 있는 곳을 통과하면 원자핵과 전자는 서로 끌어당기는 성질 때문에 원자핵은 전자를 향해서 이동을 하게 됩니다. 원자핵의 이동속도가 전자보다 느리기 때문에 원자핵이 전자를 끌어당기기 전에 전자는 통과를 해버리지만, 다른 전자가 다가오게 됩니다. 원자핵은 이미 통과해서 지나간 전자와 새로 지나가는 전자를 모두 끌어당기게 되고, 이 힘에 의해서 두 전자가 가까워지게 됩니다.

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쿠퍼 쌍은 일반적인 전자보다 큰 크기와 작은 질량을 가지므로, 금속 안에서 장애물에 부딪히거나 열적 요동에 의해 방해받지 않고 자유롭게 흐를 수 있습니다. 이렇게 쿠퍼 쌍이 전류를 이루면서 초전도 현상이 발생하는 것입니다. 이 이론을 BCS 이론 이라고 부르며, 이들도 1972년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

 

초전도체의 응용

 

초전도체는 전기 저항이 사라지는 것 외에도 여러가지 효과가 있습니다. 외부 자기장이 초전도체 내부에 침투하지 못하는 마이스너 효과도 있는데요, 이 효과느 ㄴ초전도체가 자기부상 현상을 일으키는 원리 입니다. 초전도체는 자기장을 밀어내기 위해 표면에 전류가 흘러서 반대 방향의 자기장을 만들어 내는데, 이것은 서로 같은 극의 자석이 서로를 마주보고 있는 것과 비슷한 형태가 되어, 초전도체가 공중에 떠서 빠른 속도로 이동할 수 있습니다.

 

초전도체의 가장 잘 알려진 응용 분야는 여기저기에서 최근 자주 발견되는 자기부상열차 입니다.  자기부상열차는 초전도체와 전자석을 이용해 열차를 지면 위로 부양해서 지면과 마찰없이 운행하는 방식입니다. 전자석에 자기력잉 ㅂ라생하여 부상하는 자기 부상은 전자석에 흐르는 전류의 양에 비례해서 무거운 물체를 띄우는 힘이 강해집니다. 저항이 있는 전선을 사용하면, 강한 전류를 흘리기 힘들고 전기에너지가 열에너지로 바뀌기 때문에 전류를 보충해줘야 하는 문제가 있습니다. 그러나 전자석의 전선을 초전도체로 만들면 저항이 없기 때문에 한번 전력을 공급하면 전력 손실없이 계속 흐르게 되는 것입니다.

 

초전도체는 또한 '전기 손실 없는 전력 케이블', '핵융합로','MRI','열이발생되지 않는 전자기기'등 사용범위가 무궁무진 합니다. 문제는 초저온이 필요하다는 점입니다.

 

초전도체의 난제

 

초전도 현상은 온도가 낮아야만 발생합니다. 온도가 올라가면 초전도 현상은 사라지게 됩니다. 이렇게 초전도 성질을 잃는 온도를 '임계온도'라고 합니다. 문제는 초전도현상이 사라지는 임계온도가 사람이 살 수 없는 너무 낮은 온도라는 점인데요. 일반적인 초전도체는 절대0도 보다 고작 몇 도 높은 온도에서 초전도성을 잃기 때문에, 상온에서 초전도현상을 구현하는 것이 큰 난제입니다.(지구상에서 가장 추운곳의 온도도 섭씨 영하100도아래로는 떨어지지 않으니, 얼마나 낮은 온도에서만 구현되는 것인지 상상이 안되죠)