초전도체란무엇인가—전기저항이이되는물질의과학

전기 저항이 완전히 사라지는 순간

1911년 네덜란드 물리학자 헤이커 카메를링 오너스는 수은을 4K(-269℃)까지 냉각했을 때 전기 저항이 갑자기 0이 되는 현상을 발견했습니다. 이것이 초전도(superconductivity)의 첫 발견입니다. 전기 저항이 완전히 0이라는 것은 이론상 한번 흘려보낸 전류가 에너지 손실 없이 영원히 흐를 수 있다는 뜻입니다. 이 놀라운 현상의 원리와 미래 가능성을 탐구해 봅시다. 초전도체 물리학은 에너지, 의료, 교통의 미래를 바꿀 잠재력을 품고 있습니다.

초전도의 두 가지 특성 — 제로 저항과 마이스너 효과

초전도체(superconductor)는 두 가지 핵심 특성을 가집니다. 첫째는 이미 언급한 전기 저항이 0이 되는 것입니다. 일반 도체인 구리 전선은 전류가 흐를 때 저항으로 인해 열이 발생하고 에너지가 손실됩니다. 초전도체에는 이런 손실이 없습니다.

둘째는 마이스너 효과(Meissner effect)입니다. 초전도 상태에서는 물질 내부의 자기장이 완전히 배제됩니다. 자기장이 물질 안으로 들어가지 못하는 이 성질 덕분에, 자석을 초전도체 위에 올려놓으면 자석이 공중에 떠오르는 자기 부상 현상이 일어납니다. 일본의 자기부상열차(마그레브)가 이 원리를 활용합니다. 초전도 코일에 전류를 흘려 강력한 자기장을 만들고, 이것과 열차 바닥의 자기장이 반발하면서 열차가 선로 위에 부상합니다. 마찰이 없어 소음과 에너지 손실이 극소화됩니다.

BCS 이론 — 초전도를 설명하는 양자역학

초전도 현상은 BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory)으로 설명됩니다. 1957년 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 슈리퍼가 제안한 이 이론은 1972년 노벨 물리학상을 받았습니다. 핵심은 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)이라는 개념입니다. 일반적으로 같은 전하를 가진 전자들은 서로 반발하지만, 초저온 환경에서는 격자 진동(포논)을 매개로 두 전자가 약하게 결합해 쌍을 이룹니다. 이 쿠퍼 쌍은 페르미온 규칙을 따르지 않는 보존처럼 행동하며, 모두 같은 양자 상태를 공유하는 집단적 거동을 합니다. 이 거시적 양자 상태에서는 저항이 사라집니다.

BCS 이론은 주로 -200℃ 이하의 극저온에서 작동하는 저온 초전도체를 설명합니다. 1986년 이후 구리산화물 기반의 고온 초전도체가 발견됐는데, 이들은 -130℃ 정도에서도 초전도 상태가 됩니다. 고온 초전도의 메커니즘은 아직 완전히 해명되지 않아 물리학의 미스터리 중 하나입니다. 2023년 한국 연구팀이 발표한 'LK-99' 상온초전도체 주장이 전 세계를 흥분시켰다가 재현 불가 판정을 받은 사건은, 그만큼 상온 초전도에 대한 과학계와 사회의 열망이 크다는 것을 잘 보여줬습니다.

초전도체의 현재와 미래 응용

현재 초전도체의 가장 중요한 응용은 의료 분야의 MRI(자기공명영상)입니다. MRI 장비의 강력한 자기장을 만드는 코일이 액체 헬륨으로 냉각된 초전도 코일입니다. CERN의 거대 강입자 충돌기(LHC)를 비롯한 입자 가속기도 초전도 전자석 없이는 작동할 수 없습니다. 전력 분야에서는 초전도 케이블로 송전 손실을 없애거나, 초전도 에너지 저장 장치(SMES)로 전력망을 안정화하는 연구가 진행 중입니다. 만약 상온초전도체가 개발된다면, 에너지 산업과 교통 혁명을 불러올 것이라는 점에 대부분의 물리학자가 동의합니다.

저항 없는 세상을 향해

초전도체 물리학은 기초과학의 아름다운 발견이 어떻게 기술 혁신으로 이어지는지를 보여주는 훌륭한 사례입니다. 1911년 극저온 실험실에서 우연히 발견된 현상이, 오늘날 의료 진단과 입자물리 실험의 핵심 기술이 됐습니다. 언젠가 상온 초전도가 실현된다면, 그것은 인류 에너지 역사의 가장 큰 전환점 중 하나가 될 것입니다. 그 날이 오기를 과학자들과 함께 기다립니다.