사용자:문걸

초전도성의 발견(The Discovery of Superconductivity)

발견의 시작

초전도성 현상은 독일 과학자인 H.Kamerlingh-Onnes에 의해 1911년에 처음으로 발견되었다. 그는 매우 낮은 온도에서 수은의 전기 저항(electric resistence)을 측정하였고 만약 온도가 가능한 가장 낮고 물질이 정제되었을 때 저항이 얼마나 작아지는지를 관찰하였다. 그의 연구결과는 예상치 못한 결과를 보여주었는데 4.15K(Kelvin)이하의 온도에서 저항이 거의 순간적으로 사라지는 것을 관측하였다. 전류는 전하를 띄는 입자들의 움직임이며 고체 내의 전류는 전자들의 흐름이라는 것은 그 시대에 이미 잘 알려져 있었다. 전자들은 음의 전하를 띄며 임의의 물질을 구성하는 원자들에 비해 매우 가볍다. 각각의 원자는 양전하를 띄는 원자핵과 음전하를 띄는 전자로 구성되어져 있으며 그들은 쿨롱의 법칙에 따라 서로 상호작용을 하며 각 원자의 전자는 특정한 궤도(orbit)를 차지하게 된다. 원자핵 주위의 최외각을 도는 전자를 원자가 전자(valence electron)라 한다. 이 원자가 전자들은 원자들이 모여 고체를 형성하게 되면 각 원자로부터 더 자유롭게 되며 자유 전자로 이루어진 기체를 형성한다고 생각해도 될 만큼 원자핵의 구속으로부터 벗어나게 된다. 이것은 간단하고 아름다운 일반적으로 정확한 물리적 설명이다. 즉, 물질의 일부분은 전자 기체로 가득 찬 용기로서 생각할 수 있다. 그러므로 물질에 가해진 전압에 의해 전기장이 발생하면 압력차에 의해 전자기체 바람이 불게 되며 이 바람에 의한 전자의 흐름을 바로 전류라고 생각할 수 있다.

금속(Metal)

모든 물질이 전류를 흐릴 수 있는 건 아니다. 유전체(dielectric)내부에서 원자가 전자들은 원자 내에 강하게 구속되어 있으므로 물질내부를 자유롭게 돌아다닐 수가 없게 된다. 어떤 이유에서 어떤 물질은 금속이고 다른 물질은 유전체인지를 설명하는 것은 좀 어려운 일인데 왜냐하면 물질의 성질은 물질을 이루는 원자들의 배열과 구성하는 원자들의 종류에 의존하기 때문이다. 때때로 물질내의 원자의 위치가 변하여 유전체가 금속이 되는 경우가 있는데, 예를 들어 압력이 유전체에 가해지면 원자들끼리 가까워지면서 금속으로 물성이 바뀌기도 한다. 유전체에 전류가 흐르지는 않지만 그렇다고 해서 금속내의 전자들은 아주 자유롭게 움직이는 것은 아니다. 금속내의 전자들은 원자들로 이루어진 격자구조에 충돌하게 되어 산란한다. 이러한 충돌은 곧 마찰을 일으키며 우리가 흔히 말하듯 "저항을 갖게 된다" 라고 말한다. 초전도체 상태에서 저항은 0이 된다. 예를 들어 전자들은 마찰(충돌)없이 움직이게 되지만 그러한 현상은 일상생활 속에서 찾아보기가 불가능한 것임을 우리는 경험을 통해서 알고 있다. 물리학자들은 수십년 동안 이러한 비현실적인 현상을 설명하고 이해하기 위해 노력했다. 보통 저항을 가지고 있는 물질은 정상(normal)이라 부르고 저항을 갖지 않는 물질의 상태를 초전도체(superconductors)라고 한다.

저항(Resistance)

물질의 전기 저항 R은 옴(ohm)단위로 측정이 되고 측정하고자 하는 물질과 크기에 의해 결정된다. 저항의 공식은 R=al/S 로 R은 물질의 저항, S는 물질의 단면적, 그리고 l은 물질의 길이(전류가 흐르는 방향의 길이)이다. a는 물질의 성질을 기술하는 고유 저항이다. 이 공식을 사용하면 더 넓거나 더 좁은 관중에서 어느 관이 더욱 전자기체를 더 쉽게 잘 흐르게 하는지 비교할 수 있다. 상온에서 순수한 구리의 고유저항은 1.75×10의 6승 ohm cm이다. 구리는 가장 널리 사용되는 도체중의 하나이며 몇몇 다른 물질들은 상온에서 전도성이 좋지 않다. 온도가 떨어지기 시작할 때 구리의 고유저항은 점자 낮아지고 더욱 낮은 온도가 되면 구리의 고유 저항은 10의-9승ohm cm가 되지만 초전도체 상태가 되지는 않는다. 반면에 알루미늄, 납, 수은은 초전도체 상태를 이루게 되는데 이러한 물질들은 초전도체의 고유저항이 구리의 고유저항보다 무려 몇백조나 훨씬 작은 10의-23승ohm cm을 결코 초과할 수 없다는 것을 보여준다.

잔류저항(Residual Resistivity)

물질의 고유저항은 온도에 의존한다. 온도가 증가할 때 고유저항은 증가하고 전류가 흐르는 것을 어렵게 만드는 장애물 같은 역할을 하는 금속내의 원자의 격자구조의 진동은 더욱 커진다. 잔류저항은 온도가 절대온도0에 접근하더라도 물질의 고유저항이 일정한 값을 갖는 양을 의미한다. 이 잔류저항은 물질의 구조와 순도에 의존한다. 어떤 물질들은 다른 원자들(불순물 혹은 물질의 거침정도)을 포함하고 있다. 물질의 구조가 덜 거칠수록 잔류저항은 더 낮아진다. 1911년에 Onnes는 이러한 잔류저항의 의존성을 정밀하게 밝히고자 했으며 초전도성을 밝혀내고자 하는 목적보다는 단지 물질의 순도에 따라 얼마나 잔류저항이 작아질 수 있는가를 밝히는데 노력하였다. 그때 당시 수은이 백금, 금, 구리보다 더 좋은 순도를 갖도록 제조할 수 있었기 때문에 수은으로 실험을 수행하였다. (실제로 백금, 금, 구리는-이 물질들은 초전도체가 아님- 수은 보다 더 좋은 도체이고 Onnes는 초전도성이 발견되기 전에 그의 실험을 수행하였다.)

임계온도(Critical Temperature)

온도가 더 낮아질 때 초전도성은 갑작스럽게 나타나게 된다. 어떤 임의의 온도에서 초전도현상이 예상치 못하게 일어나는 온도를 임계온도라고 한다. 그러한 전이는 어떤 온도의 영역에서 일어나게 된다. 움직이는 원자들의 마찰은 물질의 순도에 관계없이 사라지지만 더 균질하고 순도 높은 물질에서 온도에 따른 전이의 변화가 크며 이상적인 물질에서 그러한 온도에 따른 전이의 변화의 폭은 100분의 1보다 적게 된다. 그러한 물질들을 좋은 물질 혹은 좋은 초전도체라하는 반면 좋지 않는 물질의 경우 변화의 폭은 몇십분의 1정도가 된다. (물론 이 좋지 않은 물질의 경우에는 몇백 캘빈 정도의 고온에서 발견되는 초전도체 또한 포함한다.) 수은, 주석, 납 그리고 처음으로 합금 물질의 초전도성을 발견한 사람은 Onnes이다. 초전도체를 찾기 위한 시도는 계속되었으며 더 새로운 물질의 혼합물에 대한 초전도성을 연구하여 다양한 물질의 초전도체를 폭넓게 분류하였다.

낮은 온도(Low Temperatures)

초전도체에 대한 연구는 천천히 진행되었다. 그 현상을 관찰하기 위해서는 매우 낮게 온도를 내려 물질을 차갑게 만들어야 하는데 이러한 일은 쉬운 일이 아니다. 온도를 내리기 위해서는 물질을 차가운 액체 속에 담가야 한다. 일상 속에서 우리가 알고 있는 모든 액체들은 낮은 온도에서 고체화되거나 얼게 된다. 그러므로 상온에서 기체 상태로 존재하는 물질들을 액체화하는 게 필요하다. 만약 끓는 온도 이하로 물질의 온도를 내린다면 액체화 되고 녹는 온도 이하가 되면 고체화가 된다. (핼륨은 대기압 하에서 온도가 0으로 내려갈 때 까지 액체 상태로 존재한다.) 그래서 녹는 온도와 끓는 온도 사이에서 액체 상태로 있는 물질을 사용할 수가 있다. 핼륨(Helium)의 액화는 19세기와 20세기에 많은 물리학자들이 관심을 가졌던 매우 흥미로운 문제였다. Onnes는 1908년에 핼륨의 액화를 얻었으며 네델란드에 있는 Leiden이라는 곳에 특별한 실험실을 설립하고 15년 동안 새로운 온도 영역에 존재하는 초전도체에 대한 고유의 연구를 수행하게 된다. 1923년에 핼륨 액화가 베를린과 토론토에 있는 두개의 다른 그룹에서 성공되고 소련에서도 핼륨 액화를 위한 연구소가 1930년 초에 설립된다. 세계 2차 대전 후 액화된 핼륨을 공급하는 수많은 연구소들이 여러 나라에 설립되었으며 액화 핼륨은 상품화되었다. 하지만 그 전에는 각 연구소들은 독립적으로 액화 핼륨을 만들어야 했고 이러한 액화 핼륨 생산에 대한 기술적인 어려움과 물리적 복잡성은 초전도성에 대한 지식을 축척하는데 많은 방해가 되었다. 이러한 어려운 환경 속에서 초전도체의 발견 22년 후 초전도체의 두 번째 기본 성질이 밝혀진다.

마이스너 효과(The Meissner Effect)

이 효과는 독일 과학자인 W. Meissner과 R. Ochsenfeld에 의해 1931년 보고되었다. 초전도성은 단지 그 당시에 전지 저항이 사라지는 효과로만 인식되었다. 그러나 저항의 사라짐보다 더욱 복잡한 현상이 있었으며 초전도체는 외부에서 주는 자기장에 반응을 한다. 마이스너 효과는 초전도체 외부에 일정하고 적당히 강한 자기장을 걸어 주었을 경우 일어나는 현상이며 외부에서 자기장을 걸어주더라도 초전도체 내부에서 전기장은 0이 된다. 즉, 초전도성과 자기화는 소위말해서 “서로 반대되는 성질을 갖게 된다”고 말할 수 있다. 새로운 초전도체를 찾을 때에는 저항이 사라지는 그리고 자기장이 초전도체에 힘을 가하는지를 실험해 보아야한다. 자기장이 초전도체에 힘을 가하는 현상의 한 예가 영구 자석이 초전도체인 둥근 컵 위에 떠있는 현상인데 이 실험은 러시아 과학자인 V. K. Aakadyev에 의해 수행되었다. 초전도체 내에는 자기장을 밀어내도록 하는 힘을 만들어내는 전류가 존재하는데 이 전류는 자기장을 만들어서 영구 자석을 밀쳐내고 중력에 의해 아래로 떨어지려는 것을 막는다. 컵의 벽면들 역시 필수적인 역할을 하는데 컵의 중심에 자석이 떠있도록 하는데 기여한다. 만약 평평한 초전도체 위에서 자석이 외부에서 힘을 받으면 멀리 미끄러져 버리고 이러한 예는 자기 부상열차의 가능성을 시사한다.