초전도체란 무엇인지 따라가기

초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상인 초전도(超電導)를 나타내는 물질을 말합니다. 이 현상은 1911년에 처음 영국의 연구자 헤이즐 랜디에 의해 발견되었으며, 일반적으로 매우 낮은 온도에서만 나타나는 현상이었습니다. 초전도체는 전기 전류가 흐를 때 전기 저항이 없어지기 때문에, 전기 에너지의 효율적인 전달이나 저장에 사용될 수 있습니다.

초전도체에서 발생하는 주요 현상은 다음과 같습니다:

1. **영향저항의 완전한 사라짐**: 특정 임계 온도인 초전도 전이 온도 이하에서는 전기 전류가 흐를 때 전기 저항이 사라집니다. 이로 인해 전기 에너지의 손실 없이 전류를 전달할 수 있게 됩니다.

2. **메이스너 효과**: 초전도체 내에서 자기장을 인가하면, 자기장이 특정 크기 이하로 내부로 끌려들어가는 메이스너 효과가 발생합니다. 이로 인해 초전도체는 자기력선을 배제하여 외부 자기장의 영향을 크게 받지 않습니다.

상온 초전도체 개발 현황은 다소 동적이며, 1986년 이후에도 다양한 연구가 이루어져 왔습니다. 그러나 상온에서도 초전도 현상이 나타나는 물질을 찾는 것은 여전히 어렵습니다. 1986년의 라츠쿠버 (La2-xBaxCuO4) 계열의 발견 이후, 다양한 카르복시쿠퍼레이트 (Cuprate) 초전도체가 발견되었고, 이러한 물질들이 상대적으로 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타냅니다. 그러나 이들의 동작 원리와 합성에는 여전히 이해되지 않은 부분이 많습니다.

2021년 기준으로, 상온에서 초전도를 나타내는 물질의 개발은 아직 어려운 과제로 남아있습니다. 여러 연구진은 이에 도전하고 있지만, 안정적인 상온 초전도체의 발견은 연구 및 기술적인 어려움으로 인해 아직까지 성취되지 않은 상태입니다.

메이신펠트 효과(Meissner-Ochsenfeld effect)는 초전도체가 특정 온도 이하로 냉각될 때, 외부 자기장에 의해 발생하는 자기장을 완전히 내부로 밀어내는 현상을 말합니다. 이 현상은 초전도체의 특징적인 동작 중 하나로, 초전도체가 특정 온도 아래로 냉각되면 전기 저항이 사라지고 자기장을 내부로 푸시하는 두 가지 현상이 발생합니다.

메이신펠트 효과는 다음과 같이 작동합니다:

1. **임계 온도 이하로 냉각**: 초전도체는 특정 온도 이하로 냉각되어야 메이신펠트 효과가 나타납니다. 일반적으로 초전도체는 매우 낮은 온도, 대개 액체 헬륨 온도 (4K 또는 -269°C) 근처에서 동작합니다.

2. **외부 자기장의 영향 배제**: 초전도체가 임계 온도 이하로 냉각되면, 외부 자기장이 초전도체 내부에 침투하지 않고 배제됩니다. 초전도체 내부에 생성된 스핀 페어(Spin pairs)라는 특수한 전자 상태가 외부 자기장을 중화시키는 역할을 하여 자기장이 초전도체 내부로 퍼지지 않게 합니다.

3. **자기력선의 배제**: 초전도체 내부의 자기장이 외부에서 생성되는 자기력선을 내부로 푸시하여, 초전도체 내부에서는 자기력선이 거의 없는 상태가 됩니다.

이러한 특성으로 인해 초전도체는 자기장을 배제하는 능력을 가지게 되며, 자기력선이 초전도체 내부로 침투하지 않으므로 자기장이 초전도체에 거의 영향을 주지 않습니다. 이는 초전도자석과 같은 장치에서 안정적인 자기장을 생성하거나, 의료 영상 분야의 자기 공명 영상(MRI)에서 사용됩니다.