초전도체란

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본문내용

견한 업적으로 노벨 물리상을 수상하였다.
(8)BCS이론
초전도현상의 원인규명에 최초로 성공한 사람은 미국의 Bardeen ,Cooper, Schrieffer 세 사 람이였다. 1957년에 발표된 그들의 이론은 세 사람의 이니셜을따서 「B.C.S 이론」이라고 명 명되었고, 이것으로 이들은 노벨 물리학상을 수상했다. B.C.S 이론의 핵심은 두 개의 전자가 쌍(cooper pair)을 이룬 것이라고 할 수 있다.
전자가 쌍을 이룬다는 것은 한 개의 전자가 격자의 진동이나 불순물 등에 충돌하더라도, 또 다른 한 개의 전자가 조정기관 같은 역할을 하여 전자의 진로에는 영향을 미치지 않도록 하 는 것이다. 초전도 상태에서 전기저항이 \'0\' 이 되는 것은 cooper pair가 어느정도의 평균속 도로 나아가고 있을 때 한 개의 전자가 저항을 받아도 쌍으로서는 전기저항을 받지 않는다 는 것이며 결국 평균속도는 떨어지지 않는다.
상식적으로 전자는 똑같이 (-)전하를 갖고 있기 때문에 서로 반발하는 일은 있어도 서로 끌어당겨 쌍을 이룬다는 것은 있을 수 없는 것처럼 보인다. 그러나 여기서 격자진동이라는 것이 중요한 역할을 한다. 최초의 전자가 통과한 후에 격자진동이 매체가 되어 이온핵의 (+)전하가 접근하여 무리를 이루고, 다음전자를 끌어 당기는 것이다. 즉, 전자끼리 끌어당기 게 하는 힘이 발생하는 것이다.
전자가 격자로부터 에너지를 받았다고 생각할 수 있는데 PHONON 이라고 부른다. 결국 쌍 전자는 전자와 전자 사이에 있는 이온핵의 구름을 매개로 하며 (+)가 끌어당겨 모은 것이 다. 다시 정리하면, 어떤 전자가 격자의 사이를 통과하고, 그러면 그것을 따라서 주위의 이온핵 이 모여든다. 이 모여든 이온핵에 이번에는 다른 전자가 끌려온다. 그러나 들러붙지는 않고 전자는 이온핵의 틈 사이를 미끄러지듯 빠져나가 버린다. 끌어온 전자를 놓쳐버린 이온핵은, 다시 새로이 접근하여 오는 다른 전자를 끌어 들인다. 이러한 방식으로 전자의 흐름을 설명 한 것이 B.C.S 이론이다. 이 이론에서는 임계 온도가 대략 40K를 넘지 못할 것이라 예상하였으나 고온 초전도체의 출현으로 이 이론이 옳지 않다는 점이 드러났다.
초전도체의 종류
초전도체는 위의 그림처럼 크게 두가지로 나눌수 있다.
Type I은 Onnes가 처음 발견한 초전도 물질들이다. 순수한 금속물질로 대표적인 금속은 수 은(Hg)이 있다. Type I 물질들은 임계값들이 상당히 낮기 때문에 응용하기에는 많은 어려움 이 따르게 된다. Type II는 또다시 저온 초전도체와 고온 초전도체로 나눌 수 있다. Type II물질은 Type I보다 비교적 높은 임계값을 갖기 때문에 Type II초전도물질의 발견으로 비로소 초전도체의 응용에 길이 열리 게 된다. Type I 과 Type II를 구분짖는 가장 큰 점은 초전도상태에서 상전도상태로 상전이할때 그 중간단계의 차이점에 있다. Type I초전도체는 중간상태(intermediate state)라는 것이 존재한다. 이는 순간적으로 존재하는 상태로 초전도체의 일부분이라도 상전이하게 되면 곧바로 전체가 상전도상태로 된 다. 그에 비해 Type II 초전도체는 혼합상태(mixed state)가 존재하는데 이는 초전도체와 상전도체가 공존하는 상태이다. 혼합상태는 물리적으로 안정하여 임계값을 넘지않는 범위에서 계속적으로 존재가 가능하다. 저온초전도체는 임계온도가 낮아 붙여진 이름으로 Type I과 마찬가지로 액화헬륨(LHe)에서 초전도체가 된다. 저온초전도체는 임계전류밀도는 높지만, 임계자기장이나 임계온도는 상당히 낮은 편이다 고온 초전도체는 액화질소(LN2)를 냉매로 이용한다. 따라서, 저온초전도체에 비해 상당히 경 제적으로 유리한 입장이다. 하지만, 세라믹 계열이므로 연성 등이 부족하여 쉽게 깨지는 단점이 있다. 이로 인해 고온 초전도체로 선재를 만드는 것은 상당히 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해 tape형태의 선재가 개발중이다. 하지만, bulk(덩어리)로 제작하여 기기를 만드는데 있어서는 상당히 유리하다. 현재 고온 초전도체를 이용하여 각종 전력기기 및 전자 디바이스 응용 분야로 연구가 많이 진행 중 이다.
고온초전도체
1986년부터 새로운 형태, 즉 비교적 높은 온도에서 초전도를 나타내는 금속 산화물로된 고온 초전도체가 발견되기 시작하였다. 이들의 임계온도가 100K이상인 것도 있으므로 비싼 액체 헬륨 대신 값싼 액체 질소(약 77K = -196℃에서 끓음)를 사용해서 냉각시켜도 초전도체를 얻을 수 있기 때문에 그 응용 범위가 매우 넓어졌다.
고온 초전도체를 발견한 IBM취리히 연구소의 뮐러와 베드노르즈에세 1987년 노벨 물리학상의 영광이 돌아갔다. 1986년 1월 두 사람이 초전도 세라믹스를 발견하고 나서 겨우 1년 9개월 만에 이례적인 수상이었다. 초전도 현상은 물질을 극저온까지 냉각시켜야만 나타났는데, 1986년 초에 뭘러와 메드노르즈가 란탄, 바륨, 구리, 산소로 된 세라믹스가 35K근처에서 초전도체와 비슷한 성질을 나타냄을 발견했다. 두 사람은 이에 관한 논문을 독일 물리학회지에 발표하였다. 곧, 이들의 논문은 그 중요성을 세계적으로 인정 받았다. 전세계의 관련 연구자들은 이들이 연구한 물질을 분석하여 이것이 초전도체임을 확인하고 그 결정 구조를 해명했다. 전류를 만들지 않는 유전체 중에 초전도체가 있다는 것은 그전부터 잘 알려져 있었지만 임계 온도가 매우 낮아서 세계 초전도 연구자들은 전류를 통하엑 하는 합금 등을 생각하고 있었다. 그런데 뭘러와 베드로노르즈가 절연체인 세라믹스에서 고온 초전도체를 발견한 것은 놀라운 일이다. 더욱이 초전도 세라믹스는 당시까지 초전도 이론이 예상하는 임계온도를 넘는 만큼의 고온에서 초전도 현상을 보였다. 이제 세계를 흥분시켰던 초전도의 열기는 가라않고 초전도 세라믹스를 실용화하는 단계로 넘어가고 있다. 트랜지스터가 20세기에 전자 산업 혁명을 일으켰다면 고온 초전도체는 21세기에 에너지와 전자 산업의 주 물질로 떠오를 것이다.
1986년 스위스 IBM 연구소의 조지 베드노쯔와 알렛스 뮬러, 1987년 휴스턴대학의 폴 추, 아라바마대학의 모

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