초전도 현상의 원리

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초전도 현상의 원리에 대한 보고서 자료입니다.

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냉각시키고 있지만 고온초전도체를 사용해서 액체질소를 냉매로 사용한다면 상당히 낮은 비용으로도 MRI가 가동되며, 뇌 뿐 아니라 신체의 다른 부위까지도 X-선 장비대신에 MRI로 단층영상정보를 얻게될 것이다. 수송분야의 혁명도 기대되는데 일본, 독일, 미국 등에서 개발중인 초전도자기부상열차 (Superconducting Magnetic Leviation Vehicle)는 현재 고속철도차량에 비해 훨씬 높은 속도를 갖게 되어 육상수송에서의 혁명이 기대된다. 그리고, 환경오염 등의 중요한 문제가 해결될 경우 초전도전자추진선 (Superconducting Electromagnetic Propulsion Ship)도 전망이 밝아질 것이다. 또 다른 응용으로 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자, 자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열 발생 없는 컴퓨터나 반도체의 배선 등이 있다. 초전도 컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다도 엄청나게 빠른 속도로 계산할 수 있을 것이다.

새로운 초전도체의 발견
1987년 3월 미국 물리 학회는 새로운 초전도 물질로 열광했다. Zeitschrift fur Physik에 실린 베드노쯔와 뮬러의 새로운 발견에 대해 알고 있었기 때문이었다. 베드노쯔와 뮬러는 그 논문에서 제목대로, Ba-La-Cu-O계의 고온초전도 가능성에 대해 보고했다. 여기서 고온(high Tc, 높은 임계온도)이란 30K의 벽을 깨는 것을 의미하며 이전에 매우 느리게 진행되어 온 Tc올리기의 진척을 고려한다면 이것은 획기적인 성과이다. 온네스가 4K에서 초전도상태의 수은 전선을 발견한 1911년부터, 니오브-게르마늄 화합물의 임계온도가 23K에 도달한 1973년까지 약 60년 동안 임계온도는 대략 3년에 1K의 비율로 서서히 증가했다. 오랜 기간 Tc가 이렇게 거의 일정하게 증가한 것 자체가 매우 신기했고, 그 이유는 잘 모르지만 모든 사람들이 앞으로도 그러한 경향이 지속되리라 미신처럼 믿고 있었다. 그러나 Tc가 23K에 도달한 이후에는 임계온도가 거기서 멈추는 듯 했다. 사실 더 높은 임계온도를 갖는 물질이 베드노쯔와 뮬러에 의해 발견될 때까지 십여년이 걸렸다. 그러므로 약 30K이던 Tc가 90K 이상으로 치솟았던 1986년에서 1987년 1년 동안 과학자들이 그렇게 흥분했던 것은 이해가 간다. 이렇게 과학자들이 흥분에 휩싸여 있었던 것은 이 발견에 대한 호기심 때문이다. 특히, 산화물과 같이 기대하지 않았던 물질에서 놀랍게도 높은 임계온도가 발견되었다는 사실은 많은 사람들의 흥미를 끌었다. 이들 화합물들은 산소 원자들과 주로 금속인 다른 원소들로 구성되어 있다. 그것들에 약간의 다른 원소가 첨가되면 초전도체가 되기도 하지만 보통 상태에서는 전기적으로 부도체이다.
티탄 금속에 스트론튬, 란탄, 산소 원소를 섞은 화합물인 스트론튬 타탄염과 란탄 티탄염처럼 산화물계 초전도체는 이전에도 보고된 적이 있으나, 그 임계온도들은 매우 낮았다. 그럼에도 불구하고, 소수의 사람들이 이 물질에 대한 연구를 하고 있었다. 예를 들면, 결정학자이며 결정을 키우는 베드노쯔와 선배 과학자로서 IBM 연구원이자 고체물리학 전공인 뮬러는 초전도성질에 대한 체계적인 연구의 일환으로 1983년부터 산화물에 대한 연구를 수행해 오고 있었다. 산화물을 쓴다는 아이디어는 어떤 경우에 순수한 금속보다 그 산화물이 더 높은 Tc를 가지고 있다는 사실로부터 나왔다. 게다가 산화물계 초전도체의 첨가 효과, 즉 그 화합물에 소량의 다른 원소를 첨가하면 Tc를 높일 수 있을 것 같았다. 어떤 면에서 새로운 종류의 초전도체를 찾겠다는 그들의 목표는 실현될 가망이 없어 보였다. 왜냐하면 다른 비율과 다른 조건으로 원소를 섞고 산소와 반응시켜 산화물을 만드는 방법의 수가 너무나 많았기 때문이다. 마치 장님이 운동장에 떨어진 바늘을 찾는 것과 같아 보였다. 그러나 그들의 연구는 전혀 어리석은 짓은 아니었다.
결국 그들의 끈기는 보답을 받게 되었다. 그 전환점은 버나드 르보와 클로드 미첼, 두 프랑스 화학자들이 바륨, 산소, 란탄, 구리로 이루어진 세라믹 물질을 합성한 1985년이었다. 그 스위스 과학자 베드노쯔와 뮬러 등은 프랑스 화학자들의 제작법을 시도해 보았고, 30K부근에서 표본 시료의 전기저항이 사라지는 것을 관측했다. 이 결과는 곧 동경대의 마사케 다케시가에 의해 검증되었다. 즉시 여러 연구소에서 지금 우리가 고온 초전도체라 부르는 것을 제작하였고 시험하였다. 1987년에 베드노쯔와 뮬러는 그 업적으로 노벨물리학상을 받았다. 초전도분야를 연구하는 과학자들을 흥분시킨 이유 중의 하나는 이전에는 많은 사람들이 비현실적이라고 무시해 버렸으나 이제는 실온 초전도체를 만들 현실적인 가능성이 보였다는 것이다. 또 하나 물리학자들은 이들 화합물이 BCS 이론이 제안한 것과는 다른 초전도 메커니즘을 보여 줄 수도 있다는 것이었다. 기존의 이론에 의하면, 격자 내에서 전자들은 서로 밀치지만 적당한 성질을 갖춘 격자 속에 놓여지게 되면 서로 끌어당겨 쿠퍼쌍을 이룬다.
그렇다면 새로운 초전도의 메커니즘은 무엇인가? 새로운 상호작용과 준입자의 정체를 밝혀야 할 큰 문제가 있다는 사실 때문에 순수 물리학자들은 열광하기 시작했다. 그러나 회의에 참석했던 일부의 사람들은 다른 이유에서 자극을 받았다. 비록 그 당시에는 물질을 섞고 굽는 방법이 이 절차에 생소한 많은 물리학자들에게는 연금술처럼 보였지만 제조방법이 간단하고 물질들의 특성에 대한 많은 정보가 요구되어 다양한 분야의 전문 연구자들이 즉시 새로운 게임에 뛰어들어 이 새로운 화합물의 연구를 시작하려 하였다. 화학 또는 재료 과학에 깊은 지식을 가진 과학자들이 절실히 요구되었다. 왜냐하면 세라믹 연구자나 무기화학자들에게 친숙한 화학 약품과 섞고 굽는 절차들이 대부분의 물리학자들에게는 친숙하지 않아서였다.
베드노쯔와 뮬러의 업적이 공포된 후 세계의 많은 연구 그룹들이 여러 원소들의 섞는 비율을 바꾸거나 약간 다른 특징을 가진 원소들로 바꾸며 이 종류의 화합물에 관한 연구를 시작하였다. 가장 극적인 발견은 휴스턴대학의 폴 추와 그의 공동연구자인 헌츠빌에 있는 알라바마 대학의 모

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초전도,   현상,   원리