초전도 현상
들어가며
1987년 초 모든 신문에서 놀라운 초전도
현상의 발견을 보도하였다. 알라바마 주립대학의 연구소에 있는 M. K. Wu는
이트륨 - 바륨 - 구리 산화물로 꽤 높은 온도에서 초전도 현상을 일으키는 이 새로운
물질이 광범위하게 사용되려면
시간이 얼마나 걸릴것인가 하는 질문을 받았다. 그는 한두해면 충분하리라고 생각했다.
초전도 현상이 발견된지
70여년이 지난 이때가 과연 물리학자들의 실험적 호기심을 충족시키는 심심풀이에 지나지
않던 초전도 현상을
산업사회에 등장시킬 수 있는 시점이 될 수 있었을까?
초전도 현상의 발견
그
후 몇 년 동안의 발전은 미미했고 새로운 발견이 있으면 항상
새로운 장애가 발생하였다. 처음 발견되었을 때와 마찬가지로
초전도
현상은 상상하기도 어려울만큼 다양한 성질을 가지고 있다.
첫번째 놀라운 발견은 1911년 네덜란드의 Leiden 대학에 있던
H. Kamerlingh Onnes와 그의 조교 Gilles Holst가 알아낸초전도
현상이다. 그들은 온도를 낮추면 금속의 저항이
줄어든다는 것을
알았고 절대영도가 되면 저항도 서서히 0
이 될 것이라고 생각했다.
그렇지만 실제로 수은의 온도를 낮추어 실험을 했을 때 온도가 4.2 K 에
이르면 저항이 갑자기 사라진다는 것을 알았으며, 이는 전혀 예상하지
못했던 현상이었다. 저항이 없어진다는 것은 초전도 현상의
재미있는
현상의 일부일 뿐이다. 초전도 물질은 다른 물질과는 전혀 다른 자기적
성질을 나타낸다. 초전도 물질로 매우
강한 자기장을 만들 수도 있고,
그 때까지 가능하리라고 생각했던 것보다 더 약한 자기장을 측정, 조정,
이용할 수도 있다.
냉동기를 낮은 온도로 유지하는 것은 돈이 매우 많이 들고 복잡함에도
불구하고, 훨씬 높은 온도에서 초전도 현상이 발견되었다는
사실을 알기
오래전에 이미 강한 자기장과 약한 자기장에서의 초전도 현상에 관한 응용분야가 개발되었다.
그 응용의 얘는 Fermi 국립연구소에 있는 소립자를 가속시키는 초전도 자석에서부터
인간의 뇌에서 발생하는 자기장을
기록하는 '초전도 양자간섭계(SQUIDS)'까지
매우 다양하다.
자석과 거시적인 응용
영구자석은 에너지를 사용하지 않고도 자기장을 만든다. 이것은 각각의
전자가 작은 영구자석이기 때문이다. 보통
물질에서 이러한 성질을 보지 못하는 것은 전자의 방향이 각각 달라서 서로 다른 전자들의
자기장을 합하면 보통은
서로 상쇄되기 때문인다.
철과같은
'자성'물질에서는 전자가 한 방향으로 향할 수 있지만
이것들은 기껏해야 2 T정도의 자기장밖에 만들지 못한다. 더
강한
자기장을 만들기 위해서는 코일에 전류를 흘려보내는 전자석을
사용해야 한다. 공급되는 에너지는 I²RW 의 비율로
열이 방출된다
(여기서 I는 전류, R은 저항이다). 열로 나가는 에너지를 줄이려면
복잡한 장치가 필요하다 따라서 코일을 사용하여
R을 0으로 만드는
것은 큰 도움이 된다.
Kamerlingh Onnes는 열로 에너지를 낭비하지 않고 큰 자기장을
만드는 가능성은 알고 있었지만 이 기대는 첫 실험부터 실패하고
말았다. 그 당시 알려진 초전도체는 0.1 T보다 작은 자기장에서조차
초전도 현상이 사라졌기 때문이다.
현재는 자기현상과 초전도 현상이 상극관계에 있다는 것을 알고 있다.
거시적인 자기적 성질은 서로 평행하게 배열된 전자에
의존하는 반면
초전도체는 스핀의 방향이 서로 반대인 전자들이 짝을 이루어야만
나타난다. 자기장은 전자들이 자기장과 평행인 방향으로 정렬하도록 전자에 토크를 가한다.
그러므로 자기장 때문에
전자쌍들이 깨져 초전도 현상이 없어지게 된다.
오늘날 대부분의 물리실험실에는 초전도 자석이 사용되고 있는데 이들은 강력한 입자가속기에
사용되며 에너지를 만드는
자기융합기구에도
사용된다. 이외에도 초전도 현상이 등장하기 전에는 상상도 못했던 많은 응용분야가 있다. 그 중 하나가
자기부상열차
혹은 상상력을 자극하는 이름인 전자기 비행이다. 자기부상열차에서는 열차 바퀴와 궤도가
닿지 않을 정도로
약간만 땅에서 뜨게 하여 높은 속력에서 큰 장애가 되는 궤도와 열차의 마찰을 없애게
된다.
자석과 초전초체에 작용하는 힘
자석, 전자, 전류가 흐르는 회로나 코일을 균일한 자기장에 넣어보자. 이 물체들은
북극과 남극이 있는데, 북극은 자기장의
방향으로 힘을 받고 남극은 크기는 같지만 방향이 반대인 힘을 받는다. 그러므로
알짜힘은 없다. 물체가 이미 자기장과
평행하지 않을 때에는 북극 - 남극을 잇는 선이 자기장과 평행이 되도록 토크가
작용한다.(극이라는 용어를 썼지만 전류에
작용하는 힘으로 기술해도 똑같은 결과를 얻는다)
자기장이 균일하지 않으면 상황은 아주 달라진다. 예를 들어 자기력선의 간격이 좁아질
경우 선의 간격이 작아지므로
자기장이 강해진다. 전과 마찬가지로 토크가 작용하고 북극이 자기장과 평행히 되지만
이제는 남극보다 센 자기장안에
있게 된다. 그 결과로 자석이든 코일이든 혹은 전자이든 간에 물질 전체는 강한 자기장이
있는 쪽으로 끌리게 된다.
자기력선이 넓어지면 남극이 더 강한 자기장 안에 있게 되고 이 때도 마찬가지로 강한
자기장이 있는 쪽으로 끌린다. 작은
자석은 그 근처에 가까울수록 자기장이 세다. 그러므로 두 개의 자석은 서로 당길
것이다.
초전도체 안에서는 외부 자기장의 반대방향으로 자화가 일어난다. 이를 반자성이라고
한다. 왜 이렇게 되는지는 저항이
전혀 없는 선으로 만들어진 원통이나 코일에 처음에 아무런 전휴가 흐르지 않는 경우를
생각해 보면 알 수 있다. 자화된
물체로 시작을 하지 않았으므로 전류와 자화는 Faraday의
법칙에 의해 유도될 것이다.
코일을 자기장이 있는 곳으로 가져가면 코일을 지나는 자기선속이 증가하므로 유도기전력이
생기고 따라서 유도전류와
유도자기장이 생긴다. Lenz의 법칙에 의하면 유도자기장은 코일을 지나는 자기선속의
변화를 반대하는 방향으로 생길
것이다. 이 경우는 초전도 코일을 지나는 외부자기장이 증가하는 반대 방향으로 생긴다.
코일이 정지하자마자 유도기전력은 사라지고 코일을 지나는 자기장은 더 이상 변하지
않는다. 보통의 도선으로 만들어진
코일이면 전류와 자기장도 없어진다. 그러나 저항이 전혀 없는 코일이나 초전도체로
만들어진 원통표면에서는 저항이
없으므로 에너지를 들이지 않고, 기전력이 없더라고 전류가 계속 흐른다.
외부 자기력선의 간격이 좁아지면 반대극인 남극이 더 센 자기장 안에 있게 된다.
따라서 알짜힘은 자기장이 약한 쪽으로
향하게 되며 다른 코일이나 자석에 의해 생기는 자기장 안에서 반자성체끼리는 서로
민다.
초전도체에서는 한단계 더 생각해야만 한다. 초전도체가 자기장 안에서 온도 TC로부터
아래로 냉각될 때 외부 자기선속의
변화가 없으므로 Faraday의 법칙에 따르면 유도된 자화량은 없다. 그러나
초전도체는 반자성체가 된다. 이것을 1933년에
Meissner와 Ochsenfeld가 발견하여 Meissner 효과라고
한다. 초전도체와 영구자석 사이의 미는 힘을 보여주는 아래
그림에 반자성체의 성질이 잘 보인다.
자기선속 양자화와 미시적 응용
아주 작은 자기장을 감지하기 위해 초전도체를 사용한다. 이는 초전도체의 현상 중
자기선속 양자화라는 현상과 Briann
Josephson이 영국 캠브리지 대학의 학생일 때 이효과를 예측하여 'Josephson
터널링'이라고 하는 현상을 이용한 것이다.
전하가 양자화되어 있고 항상 전자 전햐량 e의 정수배로만 나타나듯이 초전도체 회로를
지나는 자기선속도 양자화되어 있다.
자기석속의 기본적인 양자의 크기는 h/2e (h는 플랑크 상수)이로 약 2ⅹ10-15T㎡이다.
이처럼 작은 자기선속이나 그보다
작은 자기선속도 Josephson효과에 의해 측정할 수 있다. Josephson이
보여준 것은 초전도 전류에서 전자쌍은 얇은 절연체
벽을 통과할 수 있다는 것이다. 이와같은 벽이 있는 초전도체 회로에서도 초전도
현상이 나타날 수 있다. 이 회로를 지나는
자기선속을 증가시켜보면 자기선속은 양자화되어 있으므로 연속적으로 증가할 수
없다.
그 대신 회로를 흐르는 전류는 자기선속이 일정하도록 변한다. 그러나 이 벽은 아주
작은 양의 전류만 흐를 수 있다.
적당한 조건에서는 이 변화가 바로 한번에 바뀔 수 있는 자기선속의 양자와 같을 수
있다. 이렇게 바뀐 수를 세어 보면 코일을
지나는 자기선속, 즉 자기장을 매우 정확하게 결정할 수 있다.
자기선속의 측정을 위해 Josephson연결이 한 개 이상 있는 회로를 '초전도
양자간선계', 즉 'SQUID'라고 부른다.
불연속적이고 단계적으로 자기선속이 변화하는 것을 이용하여 디지털형 컴퓨터에서는 Josephson연결도구가
기억장치로
사용된다. 초전도 현상에서는 열의 방출이 없으므로 이들은 아주 작은 장소에 쌓아놓고
사용할 수 있다.
BCS이론
1957년까지
초전도 현상에 대한 기본적인 이해를 거의 하지 못하고 있었다.
많은 것이 실험적으로 알려져 있었으나 원자나 전자의
성질에 기초를 둔 이론은
존재하지 않았다. 이것이 어려운 이유는 쉽게 알 수 있다. Coulomb의 법칙에
의해 서로 미는 힘이 있는데도 불구하고 전자들이 서로 협력하는 것이 필요하였다.
이 미묘한 구조는 결국 Bardeen, Cooper, Schrieffer("BCS")에
의해 발견되었다.
그들의 이론은 초전도 현상을 너무도 자세히 잘 설명하여 더이상 물리학자들의
관심을 끌지 않는 분야로 알려지게 되었다.
어떤 연구분야가 끝났다고 여겨졌다가
새롭고 예상하지 못했던 발견으로 인해 다시 관심의 대상이 된 것이 이
분야가
처음은 아니다.
BCS 이론은 음의 전하를 띤 전자가 양전하를 띤 이온으로 이루어진 결정 사이를
지나간다는 사실에 근거하고 있다. 이온은 전자가 지나가는 경로쪽으로 끌린다.
이온이 평형위치로 돌아가기 전에 지나가는 다른 전자는 첫번째 전자가 지나갔기
때문에 환경이 변형되었고, 이 방법으로
간접적으로 두 전자가 상호작용을 한다.
BCS이론으로 반대의경향이 미묘하게 균형을 이루어 적당한 조건에서는 초전도
현상을 일으킬 수 있다는 것을 이해하게 되었다.
정량적인 분석은 그 당시까지 알려진 초전도체의 성질을 잘 기술하였다. 그리고
그 후 30여 년 간 새로운 초전도체는 거의 발경되지 않았고 임계온도도 거의 증가하지
않았다. 물리학자들은 더 높은 TC가 있을 수 없는 물리법칙이 있지 않나
하는 의문을
가졌고, 왜
온도를 더 높이는 것이 불가능한지에 관한 논문도 썼었다.
글을 마치며
이러한 시대는 1986년, 전혀 새로운 종류의 초전도체를 갑자기 발견함으로써 갑자기
끝이 났다. 자기 선속의 양자화에 대한 실험 결과
새로운 물질의 초전도 현상은 BCS
이론의 요점인 전자쌍에 의존한다는 것이 알려졌다. 그러나 BCS구조(이온 결정에
의한
전자의 상호작용)로는 관측된 높은 임계온도를 설명할 수 없는 것 같다. 다시한번
자연은
부지런하고 상상력이 풍부한 탐구 앞에 기꺼이
그 비밀을 드러내었다.
