전도체로서, 전기 저항이 0 [Ω]이 되는 초전도 현상과
마이스너 효과가 일어나는 물질을 가리킨다.
초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 나타내는 물질을 말합니다. 이러한 물질은 매우 낮은 온도에서 특정 임계점 이하로 냉각되면 전기 전류가 흐를 때 저항이 거의 없어지는 현상을 경험합니다. 이 상태를 '초전도 상태'입니다.
1. 초전도체 관련 역사
1. 저온공학의 시작, 초전도 현상 발견
초전도 현상은 초기에는 많은 의견이 분분했습니다. 어떤 사람들은 극저온에서도 어느 정도의 저항이 있을 것으로 예측하고, 또 다른 사람들은 전기저항이 완전히 사라져 0Ω이 될 것이라고 생각했습니다. 더욱이, 일부 과학자들은 전자들이 얼어붙어 저항이 증가할 것이라는 독특한 의견도 있었습니다. 이러한 논쟁은 초전도 현상을 이해하는 데 큰 도움이 되었습니다.
1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를 링 오너스는 액체 헬륨을 만드는 데 성공하였고, 이를 이용하여 초저온 실험을 시작했습니다. 그 결과 1911년, 오너스는 4.19K에서 수은이 극도로 낮은 전기저항을 보이는 현상을 발견하게 됩니다. 이러한 현상은 평소 사용하는 전기 측정기로는 측정하기 어렵기 때문에 새로운 실험 방법을 도입하여 확인하게 됩니다. 이를 통해 수은뿐만 아니라 많은 물질들이 초전도성을 가질 수 있음을 알게 되었습니다.
2. 마이스너 효과의 발견
초전도 현상에 대한 연구는 계속되었고, 1933년에는 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너와 로버트 오쉔펠트가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못하는 현상을 실험적으로 발견하였습니다. 이것은 마이스너 효과라고 불리며, 초전도에 대한 이해를 더욱 깊이 있게 하게 되었습니다.
3. 양자역학에 의한 BCS 이론의 등장
초전도 현상에 대한 이론적 설명은 미국의 물리학자 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼에 의해 만들어졌습니다. 그들은 1957년에 초전도 현상에 대한 이론적 설명을 최초로 성공시켰으며, 이를 'BCS 이론'이라고 이름 붙였습니다. BCS 이론은 쿠퍼쌍의 매개를 포논으로 보았으며, 이후 초전도 현상에 대한 많은 연구와 응용 분야에 영향을 끼쳤습니다. 노벨물리학상 수상도 이들의 공로를 인정받게 됩니다.
2. 고온 초전도체와 고압 초전도체 관련 연구
1. 고온 초전도체
고온 초전도체라 하여 우리가 일상생활에서 겪을 수 있는 상온이나 실온과 헷갈릴수 있다. 하지만 여기서 말하는 고온은 약 30 [K] (약 -243℃)를 의미한다. 해당 명칭이 붙은 이유는 위에서 등장한 BCS 이론에서 초전도체가 되기 위해서는 30 [K] 이하의 온도가 필요하다고 예측하여, 이보다 높은 온도를 고옥이라 칭하게 된 것이다.
2. 고압 초전도체
이 방법은 극저온 환경을 벗어나고자 기존의 접근과는 달리, 극도로 높은 기압을 가하는 것으로 초전도체의 온도 범위를 더욱 확장시켰습니다. 이로 인해 기존의 고온 초전도체보다 훨씬 더 높은 온도에서 초전도체 현상이 발생할 수 있게 되었습니다. 그러나 현재는 아직 실온에서의 초전도체 현상은 이루어지지 않았습니다.
2019년 독일 막스플랑크 연구소 엘레메츠 연구팀이 170 GPa이라는 초고압과 [란타넘 하이드라이드]라는 물질을 이용해 -23 [℃]에서 초전도 현상이 일어나는 것을 확인했습니다.
이후에도 많은 물질이 발견되었지만, 재현성이 없거나, 신뢰도가 낮은 물질의 경우 논문이 취소된 사례도 있습니다.
3. 상온 및 상압 초전도체?
대한민국에서 기존 초전도체에 적용되던 극단적인 제약 조건들이 완전히 뒤엎어졌습니다. 최근 LK-99 물질은 상온과 상압에서도 초전도체 현상이 가능한 것을 확인한 논문이 발표되었습니다. 하지만 아직 완전히 밝혀진 것은 아니며, 타 국가 연구소에서 검증 실험에 있습니다. (08/01 기준)
해당 내용은 다음 포스팅에서 다루어 보겠습니다.
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