초전도체란? 초전도체 이해를 위한 초전도체 역사
2023년 7월 갑자기 등장한 초전도체 뉴스가 뜨겁습니다. 이번 포스팅에서는 초전도체가 무엇인지를 지난 100년 이상 진행된 초전도체 역사로부터 알아보겠습니다. 초전도체 역사로부터 초전도체가 무엇인지, 어떤 방식으로 초전도체를 만들어 왔는지 확인하시면서 현재의 초전도체 이슈를 이해해 보시기 바랍니다.
글의 순서
1908년, 극저온 시대의 탄생
1911년, 수은 초전도체 발견
1913년, 헤이케 카메르링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes), 노벨 물리학상 수상
1933년, 마이스너 효과(Meissner Effect) 발견
초전도체 vs. 완전도체
양자고정과 Type-Ⅱ 초전도체
1957년, 초전도체의 이론적 배경 발견 : BCS 이론
1968년, 상온 고압에서 초전도 현상 발견
1986년, 섭씨 -238도(35 Kelvin)에서 초전도 현상이 발생하는 구리 산화물 LBCO 발견
1987년, 영하 183도에서 초전도 현상이 발생하는 구리 산화물 YBCO 발견
1988년 비스무트, 스트론튬 칼슘 구리 산화물 발견
2019년 영하 23도, 170GPa라는 고압에서 초전도 현상 발견
1908년, 극저온 시대의 탄생
헤이케 카메르링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 액체 헬륨을 만드는데 성공했습니다. 액체 헬륨은 극저온 환경을 만드는데 필요한 물질입니다. 액체 헬륨을 사용하면 영하 273도에 가까운 온도까지도 가능합니다.
1908년 헤이케 카메르링 오네스가 액체헬륨을 만드는데 성공했고, 이때부터 극저온 실험이 가능하게 되었습니다. 극저온 실험의 시대가 열린 것입니다.
1911년, 수은 초전도체 발견 [초전도체 역사 1]
1911년 헤이케 카메르링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은 실험 중에 초전도체를 발견하였습니다. 온도를 내렸을 때, 수은의 점도가 어떻게 변하는지를 알아보기 위한 실험에서 액체 헬륨을 사용하였습니다.
액체 헬륨을 이용해서 극저온 상태까지 온도를 내리다가 섭씨 영하 268.8도 되는 지점에서 갑자기 전기 저항이 0이 되는 현상을 발견했습니다. 초전도 현상이 발견된 것이며, 영하 268.8도에서 수은은 초전도체가 된 것입니다.
1913년, 헤이케 카메르링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes), 노벨 물리학상 수상
액체 헬륨을 만들어서 극저온 실험의 시대를 연 공로로 노벨상을 수상했습니다.
1933년, 마이스너 효과(Meissner Effect) 발견 [초전도체 역사 2]
초전도체는 금속과 같은 일반 물질이었다가. 임계 온도 이하에서 초전도 현상을 보이는 물질입니다. 임계온도 이하로 떨어져서 초전도체가 되는 순간 외부에 자기장이 접근 못하게 만듭니다. 그 근처에 자기장을 걸어주든, 안 걸어주든 자기장을 내쫓습니다. 온도가 높았을 때에는 자기장이 투과하더라도, 임계온도 이하에서는 투과되던 자기장마저 그 초전도체 바깥으로 밀려나게 됩니다. 이 현상을 마이스너 효과라고 부릅니다. 발터 마이스터(Walter Meissner)가 발견했고, 이 현상에 그의 이름을 붙였습니다.
그 초전도체 바깥으로 밀려난 자기장 때문에 근처에 자석이 오면 밀려납니다. 전도체가 자기장을 밀어내면서 다가오는 자석을 공중 부양시키는 현상은 마이스너 효과 때문에 발생합니다. 발터 마이스너(Walter Meissner)는 초전도체를 만들어 놓고 그 위에 자석 알갱이를 떨어뜨렸는데, 떨어지던 자석 알갱이가 초전도체에 닿기 전에 튕겨나가는 현상을 발견했습니다.
자석은 N극, S극이 있습니다. 밀거나 당기고 있다가 극을 바꿔주면 반대의 현상이 발생합니다. 발터 마이스너는 초전도체 근처에서 이 현상이 똑같이 발생하는지를 실험했습니다. 초전도체 위에 자석을 부양시켜놓고, 부양된 자석을 회전시키면서 극을 바꿔봤는데, 여전히 공중에 떠 있는 현상을 발견했습니다. 이 현상은 극과 상관없이 어떤 자기장이든 모두 밀어내서 생긴 현상입니다. 마이스너 효과를 확인할 수 있어야 초전도체라고 합니다.
초전도체 vs. 완전도체
초전도체는 전기저항이 0인 도체입니다.
전기저항이 0인 도체를 완전도체라고 하는데, 완전도체는 외부에 자기장을 걸어준 상태에서 임계온도로 떨어졌을 때에도 자기장을 밀어내지는 않습니다. 그런데, 초전도체라면 임계온도 이하로 떨어졌을 때 자기장을 밀어냅니다.
정리해보면 다음과 같습니다.
어떤 물질이 전기저항이 0이 되고, 내부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 보이는 현상을 초전도 현상이라고 합니다. 저항이 0인 도체이면서 마이스너 효과가 있으면 초전도체, 마이스너 효과가 없으면 완전도체입니다.
양자고정과 Type-Ⅱ 초전도체
이후 과학자들은 여러 가지 초전도체 물질들을 발견했습니다. 그런 물질들 중 임계온도 이하에서 초전도체 특성을 나타냅니다. 그런데, 일정강도 이상의 자기장을 걸어주면, 그 자기장이 초전도체 내부 여기, 저기를 통과하는 일이 깁니다. 초전도체에서 일부 구역들이 초전도체의 특성을 잃게 되는 것입니다. 자기장 구멍이 뚫린다고 보시면 됩니다. 이렇게 되면 전체적으로 마이스너 효과를 가지고 있으면서, 초전도체 내부 일부 영역에서는 자기장 구멍이 뚫려서 마치 포크로 빵조각을 찍은 것 같은 모습이 연출됩니다. 여기서 빵조각이 초전도체, 포크는 초전도체를 통과하고 있는 자기장과 대응됩니다. 이 현상을 ‘양자고정(Quantum Locking)’ 이라고 부릅니다.
양자고정이 발생하는 초전도체를 타입2 (Type-Ⅱ) 초전도체라고 합니다. 다시 말해 Type-II 초전도체는 임계온도 이하에서 자기장을 어떤 특정 세기 이상으로 걸어줬을 때, 양자고정 현상이 발생합니다. 양자고정 현상이 발생하면, 초전도체가 마이스너 효과 때문에 떠있으면서도 움직이지 않고, 뒤집어도 떨어지지 않습니다.
1957년, 초전도체의 이론적 배경 발견 : BCS 이론 [초전도체 역사 3]
1957년 Bardeen, Cooper, Schrieffer는 초전도 현상을 설명할 수 있는 이론을 만들어냅니다. 이 이론을 각각의 이름 첫 글자를 따서 BCS 이론이라고 합니다. 이 이론으로 섭씨 -243도 이하에서 동작하는 초전도 현상을 설명할 수 있습니다.
BCS 이론을 요약하면 다음과 같습니다. 구분하기 위해 번호를 붙여보았습니다.
(1) 초전도체의 격자 모양 원자핵 사이를 자유전자가 이동하고 있다고 상상해 보시기 바랍니다. 초전도체는 온도가 너무 낮은 상태이기 때문에 전자의 이동을 원자핵의 양이온들이 막지 못합니다. 그래서 저항 없이 전자가 쉽게 움직입니다.
(2) 그런데, 양이온 사이를 전자가 움직이면 전기적 극성 때문에 전자가 양이온을 당깁니다. 이렇게 되면 양이온 격자 사이가 좁아지는 것이고, 이 순간 양전하가 주위보다 강해집니다.
(3) 이 양전하는 주변의 다른 전자를 당기게 되니까, 결국 전자 두 개가 쌍으로 움직이게 됩니다. 이를 쿠퍼쌍(Cooper pair) 이라고 합니다.
BCS 이론은 전자와 격자를 이루는 양이온들 간의 상호작용에 의해 초전도 현상이 일어난다는 것입니다. 당시 이 현상은 임계온도 영하 243도 이하에서만 가능했습니다. 그래서, 영하 243도 이상에서 초전도체를 만들 가능성은 거의 없다는 결론에 도달하게 됩니다.
1968년, 상온 고압에서 초전도 현상 발견 [초전도체 역사 4]
BCS 이론으로 상온에서 초전도체를 만들 수 있다는 설명이 가능합니다. BCS 이론으로는 영하 243도 이하에서만 초전도체를 만들 수 있습니다. 1968년 닐 에쉬크로포트 교수가 BCS 이론을 분석하다가 상온에서도 초전도체를 만들 수 있는 물질이 있다는 것을 발견하였습니다. 그 물질은 바로 수소였습니다. 만약 수소를 금속으로 만들 수 있다면, BCS 이론에 따라서도 상온에서 초전도체로 작동할 수 있다는 것을 이론적으로 검증해냈습니다.
그런데 수소로 금속을 만들 마땅한 방법이 없었습니다. 50년 정도가 흐른 지금까지도 이 방법은 없는 상태입니다. 아주 높은 압력을 걸어줘야 하는데, 그럴 수 없었기 때문입니다.
그렇지만 과학자들은 이 이론을 검증해 보기로 합니다. 순수한 수소 대신 수소 화합물로 말입니다. 수소가 들어간 화합물로 금속을 만들면 압력을 그렇게 높이지 않더라도 초전도체를 만들 수 있지 않을까? 가 질문이었습니다. 어쨌거나 압력은 필요합니다.
1986년, 섭씨 영하 238도(35 Kelvin)에서 초전도 현상이 발생하는 구리 산화물 LBCO 발견 [초전도체 역사 5]
Muller와 Bednorz는 좀 더 높은 온도에서 초전도 현상을 일으키는 물질인 구리 산화물을 발견하였습니다. 란타늄, 바륨, 그리고 구리 산화물로 이루어진 물질은 섭씨 -238도(35 Kelvin)에서 초전도 현상이 발생한다는 사실을 뮐러와 베드노르츠(Muller와 Bednorz)가 발견합니다.
BCS 이론에서는 섭씨 영하 243도 이하에서만 초전도체가 된다는 것인데, 그보다 더 높은 온도인 영하 238도에서도 란타늄, 바륨, 구리 산화물(Lanthanum barium copper oxide, LBCO)로 이루어진 물질은 초전도 현상이 발생된다는 것을 발견했습니다.
이때, 도쿄대 쇼지 타나카 교수 연구팀이 이 현상을 재연하는데 성공합니다.
1987년, 영하 183도에서 초전도 현상이 발생하는 구리 산화물 YBCO 발견 [초전도체 역사 6]
휴스턴 대학의 폴츠 교수가 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium Barium Copper Oxide, YBCO)로 바꿔서 초전도 현상 실험을 했는데, 섭씨 영하 183도에서도 초전도성이 나온다는 사실을 발견했습니다. 현재까지의 초전도체보다는 훨씬 높은 온도에서 초전도 현상을 보였기 때문에 과학자들은 이를 고온 초전도체라고 불렀습니다. 영하 268.8도, 영하 243도, 영하 238도에 비해서 영하 183도는 무척 높은 온도였기 때문에 붙여진 이름이었습니다.
이 고온 초전도체가 중요한 이유는 냉각시키는 물질을 액체 헬륨 대신 액체 질소로 사용할 수 있게 되었다는데 있습니다. 이때부터는 액체 질소만으로도 초전도체를 만들 수 있는 환경이 조성된 것입니다.
1988년 비스무트, 스트론튬 칼슘 구리 산화물 발견 [초전도체 역사 7]
일본에서 희귀물질인 란타늄, 이트륨이 없더라도 만들 수 있는 고온 초전도체를 만들었습니다. 바로 비스무트, 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BiSrCu2Ox (BSCCO)인데요. 이 물질은 영하 183도인 고온에서 초전도 현상을 보였습니다. 그런데 당시 이를 설명할 수 있는 이론은 없었습니다.
BCS 이론으로는 영하 243도 이하만 설명할 수 있습니다. 아직까지도 이보다 높은 온도에서 초전도 현상이 발생하는 것을 설명할 이론이 없는 상태입니다. 이를 설명할 수 있는 이론을 발견한다면 노벨상 받습니다. 도전해 보시기 바랍니다.
2019년 영하 23도, 170GPa라는 고압에서 초전도 현상 발견 [초전도체 역사 8]
막스 플랑크 연구소의 미하엘 엘르메츠 박사 연구팀은 압력을 170GPa(기가 파스칼) 까지 걸어줬더니 영하 23도에서도 초전도 현상을 보인다는 것을 보여줬습니다. BCS 이론만으로 LaH10 이라는 란타늄 수소 화합물울 초전도체로 만든 것입니다. 무려 1700억 파스칼의 압력이 필요하다는 것이 장벽이긴 합니다.
마치며 …
초전도체 역사로부터 초전도체를 이해해 보았습니다.
저항이 0인 도체이면서 마이스너 효과가 있는 물질을 초전도체라고 합니다.
초전도체 역사에서 보셨듯이 현재 인류는 초전도체를 만들기 위해 크게 2가지의 방향으로 달리고 있는 중입니다.
(1) 구리 화합물로 만드는 고온 초전도체
(2) 수소 화합물에 고압을 가해서 만드는 초전도체
이 중 (1) 구리화합물로 만드는 고온 초전도체의 경우, 이론은 아직 없으나, 물질을 잘 조합하면 초전도체를 만들 수 있으며, 만약 이론을 찾아낸다면 그건 바로 노벨상으로 연결됩니다.
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참고자료
안될과학, 초전도체 알아야 할 역사! LK-99 영상, 아카이브 논문 리뷰