초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지고 자기장을 밀어내는 놀라운 물질입니다. 1911년 발견된 이후 100년이 넘도록 연구되어 왔지만 여전히 완전히 이해되지 않은 양자 현상이며, 상온 초전도체의 개발은 에너지 전송, 자기부상열차, 양자컴퓨터 등 인류 문명을 근본적으로 변화시킬 잠재력을 가지고 있습니다.
초전도체의 신비로운 특성
1911년 네덜란드 물리학자 헤이커 카메를링 오너스는 수은을 절대온도 4.2도까지 냉각시키는 실험을 하던 중 놀라운 현상을 발견했습니다. 온도가 임계온도 이하로 내려가자 전기 저항이 갑자기 0이 되었습니다. 완전한 0입니다. 측정 한계 이하가 아니라 정말로 0이었습니다. 이것은 고전물리학으로는 설명할 수 없는 현상이었습니다. 일반 금속도 온도가 낮아지면 저항이 줄어들지만 절대영도에서도 유한한 잔류 저항이 남습니다. 하지만 초전도체는 완전히 다릅니다. 초전도 상태의 도선에 한번 전류를 흘려주면 전원을 끊어도 전류가 영원히 흐릅니다. 실제로 실험실에서 초전도 고리에 전류를 유도한 후 수년간 관측했지만 전류가 전혀 감소하지 않았습니다. 만약 감소한다 해도 수십억 년은 걸릴 것으로 추정됩니다. 이것은 단순히 저항이 매우 작은 것과는 차원이 다릅니다. 양자역학적으로 완전히 새로운 상태인 것입니다. 초전도 현상을 설명하기 위해 여러 이론이 제안되었지만 1957년에야 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼가 BCS 이론으로 미시적 메커니즘을 밝혔습니다. 초전도체에서는 전자들이 쿠퍼 쌍이라는 결합 상태를 만들어 보존-아인슈타인 응축과 유사한 거시적 양자 상태를 형성합니다. 이 상태에서는 전자들이 격자 진동에 의한 산란 없이 흐를 수 있어 저항이 0이 됩니다.
마이스너 효과와 자기 부상의 원리
초전도체가 자석을 밀어내는 이유
1933년 마이스너와 오센펠트는 초전도체의 또 다른 놀라운 특성을 발견했습니다. 초전도체는 내부의 자기장을 완전히 밀어냅니다. 이것을 마이스너 효과라고 합니다. 완전 반자성체처럼 보이지만 본질은 다릅니다. 일반 반자성체는 외부 자기장에 반대되는 약한 자기장을 만들어 부분적으로 상쇄하지만, 초전도체는 내부 자기장을 완전히 0으로 만듭니다. 자석을 초전도체 위에 올려놓으면 공중에 떠오릅니다. 초전도체 표면에 유도된 초전류가 정확히 외부 자기장을 상쇄하는 자기장을 만들어 자석을 밀어내기 때문입니다. 이 부상력은 매우 안정적입니다. 자석이 아래로 내려가려 하면 더 강한 반발력이 생기고 위로 올라가려 하면 인력이 생겨 균형을 유지합니다. 플럭스 고정 현상도 흥미롭습니다. 제2종 초전도체에서는 강한 자기장이 가느다란 양자화된 자기 다발로 초전도체를 관통합니다. 이 자기 다발들이 결함에 고정되면 자석이 초전도체 위의 특정 위치에 갇힙니다. 자석을 밀어도 원래 위치로 돌아오고 거꾸로 해도 그대로 떠 있습니다. 이것이 양자 잠금입니다. 마이스너 효과는 초전도가 단순히 저항이 0인 것 이상의 근본적으로 다른 상태임을 보여줍니다.
고온 초전도체의 발견과 미스터리
1986년까지 알려진 모든 초전도체의 임계온도는 절대온도 30도 이하였습니다. 액체 헬륨으로 냉각해야 했고 이것은 매우 비싸고 번거로웠습니다. 1986년 베드노르츠와 뮐러는 란타넘 구리 산화물에서 35도의 임계온도를 발견했습니다. 이것은 혁명이었습니다. 1년 후 이트륨 바륨 구리 산화물에서 93도의 초전도가 발견되었습니다. 이것은 액체 질소의 온도 77도보다 높습니다. 액체 질소는 액체 헬륨보다 훨씬 저렴하고 다루기 쉽습니다. 고온 초전도체의 발견은 실용화에 한 걸음 다가선 것이었습니다. 하지만 역설적으로 고온 초전도체의 메커니즘은 여전히 완전히 이해되지 않았습니다. BCS 이론은 구리 산화물 초전도체를 설명하지 못합니다. 이들은 세라믹 물질로 상온에서는 부도체이거나 반도체인데 특정 조성에서 갑자기 초전도가 됩니다. 전자들 사이의 강한 상호작용이 중요한 역할을 하는 것으로 보이지만 정확한 쌍 형성 메커니즘은 논쟁 중입니다. 최근에는 철 기반 초전도체, 수소화물 초전도체 등 새로운 계열이 발견되고 있습니다. 2020년에는 초고압 하에서 탄소질 황 수소화물이 15도에서 초전도를 보인다는 보고가 있었습니다. 상압에서 상온 초전도체를 만드는 것은 여전히 물리학의 성배입니다.
초전도 양자간섭계와 극한의 민감도
초전도체의 양자적 특성을 이용한 가장 정밀한 장치가 SQUID입니다. Superconducting Quantum Interference Device의 약자로 조세프슨 접합을 이용하여 극미세한 자기장을 측정합니다. 두 초전도체 사이에 얇은 절연층을 두면 쿠퍼 쌍이 터널링으로 통과할 수 있습니다. 이것이 조세프슨 효과입니다. 이 접합에 흐르는 초전류는 양쪽 초전도체의 양자 위상차에 의존하며 자기장에 극도로 민감합니다. SQUID는 지구 자기장의 수십억 분의 1 수준의 자기장을 감지할 수 있습니다. 뇌의 신경 활동이 만드는 미약한 자기장을 측정하는 뇌자도 검사에 사용됩니다. 지질 탐사에서 지하 광물의 자기 이상을 찾는 데도 활용됩니다. 암흑물질 탐지 실험에서도 SQUID가 사용됩니다. 표준 전압을 생성하는 조세프슨 전압 표준은 SQUID 기술의 또 다른 응용입니다. 양자홀 저항과 함께 SI 단위계의 전기 표준을 정의합니다. 초전도 양자 비트는 양자컴퓨터의 핵심 소자입니다. 초전도 회로가 만드는 거시적 양자 중첩 상태를 정보 저장에 이용합니다.
초전도 기술이 열어갈 혁신적인 미래
초전도 송전선은 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있습니다. 현재 송전 과정에서 약 7퍼센트의 전력이 저항으로 손실됩니다. 초전도 케이블로 대체하면 이 손실을 완전히 제거할 수 있습니다. 냉각 비용을 고려해도 장거리 대용량 송전에서는 경제성이 있습니다. 한국에서도 서울 일부 구간에 시범적으로 초전도 케이블이 설치되어 운영 중입니다. 자기부상열차는 초전도 자석으로 부상력을 만들어 마찰 없이 고속 주행합니다. 일본의 L0계 자기부상열차는 시험 운행에서 시속 603킬로미터를 기록했습니다. 중국도 초고속 자기부상 열차를 개발 중입니다. 핵융합 발전에서 플라즈마를 가두는 거대한 자기장을 만드는 데 초전도 자석이 필수적입니다. ITER 같은 국제 핵융합 프로젝트는 수만 암페어의 전류를 흘리는 초전도 자석을 사용합니다. MRI 장비도 강력한 초전도 자석으로 작동합니다. 입자가속기의 전자석도 점차 초전도 자석으로 대체되고 있습니다. LHC는 수천 개의 초전도 자석으로 입자를 거의 광속까지 가속합니다. 초전도 에너지 저장 장치는 전력망의 안정화에 활용됩니다. 신재생 에너지의 간헐성을 보완하고 순간적인 대용량 전력 공급이 필요한 곳에 사용됩니다. 상온 초전도체가 실현된다면 냉각 장치 없이 이 모든 응용이 가능해져 에너지 혁명이 일어날 것입니다. 전선에서의 열 손실이 사라지고 초소형 고성능 전자기기가 가능해지며 양자컴퓨터가 일상화될 수 있습니다. 초전도 연구는 순수 물리학의 탐구이자 인류의 미래를 바꿀 핵심 기술 개발의 최전선입니다.