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초전도체란
전기 저항이 0Ω이 되는 현상과
외부 자기장에 반자성을 띄는
마이스너 효과가 있는 물질을
초전도 현상이라고 합니다.
초전도 돔
초전도 현상의 조건을 시각화하는데 사용됩니다.
초전도 돔은 온도, 자기장,
그리고 전류밀도가 각각의 임계값보다 낮아야
초전도 현상이 발생합니다.
초전도 돔의 크기가 클수록
더 좋은 초전도체로 간주됩니다.
초전도 돔의 외곽 부분에서는
초전도 현상이 쉽게 사라지지만,
내부 부분에서는 강한 전류와 자기장에도
초전도성을 유지할 수 있습니다.
그러나 교류 상태에서는 손실이 발생합니다.
일반적으로 사용하는 전력 기기는 교류로 작동하며,
초전도 재료의 경우 수송전류에 의한
자기자계의 시간적 변화로 인해 핀 중심이 이동하고,
이로 인해 마찰 저항으로 열 손실이 발생합니다.
교류손실은 구리와 같은 상전도체보다는 작지만,
초전도체는 극저온의 액체질소나
헬륨과 같은 냉매를 사용하기 때문에
손실의 양이 작더라도 경제성에 큰 영향을 미칩니다.
이는 열 손실로 인해 기화된 냉매를
다시 액체로 냉각하기 위해서는
많은 에너지가 필요하기 때문입니다.
또한 초전도체라고 해도
도선의 자기 인덕턴스와 도선과
대지 사이의 자기 커패시턴스가 무시되지 않으므로
무효 전력과 전력 손실이 발생할 수 있습니다.
저온공학 기반 초전도 현상
과거의 과학자들은 극저온에서 전자들의 동작에 대해
다양한 의견을 가지고 있었습니다.
세 가지 주요 의견은 다음과 같습니다.
첫째, 다른 온도 범위처럼
어느 정도의 저항이 존재할 것이라는 의견입니다.
둘째, 고체를 구성하는 격자 진동이 완전히 사라져
전기 저항이 0Ω이 될 것이라는 의견입니다.
셋째, 전자들이 얼어붙어
저항이 증가할 것이라는 의견이 있었습니다.
또한, 일부 과학자들은 이러한 물질들이
액체 상태로 존재할 수 없을까? 라는 접근을 통해
영구 기체라는 용어를 제안하기도 했습니다.
1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는
액체 헬륨을 만들어내는 데에 성공하였습니다.
그 이후 오너스는 저온에서
전자의 동작을 측정하기 시작했습니다.
1911년, 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하다가
4.19K에서 수은의 전기 저항이
극도로 낮아지는 현상을 발견했습니다.
이 저항은 너무 낮아서 일반적인 4단자 측정법으로는
측정하기 어려웠기 때문에,
오너스는 폐회로를 만들어
기전력이 없어도 전류가 계속 흐르고,
자기장의 변화를 측정했습니다.
이렇게 측정된 결과,
해당 저항은 0Ω로 여겨질 정도로 낮은 것으로 밝혀졌습니다.
이후에는 수은뿐만 아니라
다양한 물질이 초전도 특성을
가질 수 있다는 사실이 밝혀지게 되었습니다.
마이스너 효과
1933년에는 독일의 물리학자
프리츠 발터 마이스너와 로버트 오쉔펠트가
주석과 납 시료에서 초전도체 내부로
자기장이 침투하지 못하는 현상을
실험적으로 발견하였습니다.
이 현상은 마이스너 효과로 알려져 있습니다.
초전도체는 임계 자기장 이하에서
외부 자기장과 반대 방향의
자기장을 형성하여 반자성을 나타냅니다.
초전도체는 전기 저항이 없지만
마이스너 효과가 없는 경우를
완전 도체 또는 바일 반금속이라고 합니다.
상용화 단계
나이오븀 기반 초전도체
1954년, 미국 벨 전화 연구소 연구팀은
18K(약 -255°C)에서 초전도성을 갖는
나이오븀-주석 합금인 Nb3Sn을 발견했습니다.
이후, 1962년에는 미국 로크웰 국제과학센터 연구팀이
-263°C에서 초전도성을 갖는
나이오븀-티타늄 합금인 NbTi를 발견했습니다.
이러한 실험적인 물질 제조의 발견은
저온 초전도체의 연구를 촉진시켰습니다.
저온 초전도체의 이론적 설명은
1957년에 미국의 물리학자
존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼에 의해
최초로 성공적으로 이루어졌습니다.
이들은 초전도 현상에 대한
이론적 설명으로 'BCS 이론'을 제안했으며,
쿠퍼쌍의 매개를 포논(phonon)으로 보았습니다.
이 연구는 1972년에 노벨물리학상을 수상하게 되었습니다.
또한, 러시아의 물리학자 비탈리 긴즈부르크와 레프 란다우는
'긴즈부르크-란다우 이론'을 세웠으며,
이 이론에 따라 초전도체가 1종과 2종으로 구분됨을 보였습니다.
이 공로로 노벨물리학상을 수상한 사례도 있습니다.
저온 초전도체는 1964년부터 상용화되기 시작했으며,
1983년에는 MRI용 초전도 전자석이 상용화되었습니다.
1986년 4월, 스위스 IBM 연구소에서
알렉산더 뮐러와 게오르크 베드노로츠가 바륨을 기반으로 한
바륨구리산화물(BCO)을 개발했습니다.
이 물질은 35K 이상에서 초전도성을 유지하며
전류가 정공을 통해 이동하는 것이 특징입니다.
이후 바로 다음 해에 노벨물리학상을 수상하게 되었습니다.
1987년 3월, 미국 휴스턴 대학교 폴 추 교수팀은 이트륨을
기반으로 한 이트륨바륨구리산화물(YBCO)을 개발했습니다.
이 물질은 93K에서도 초전도성을 유지하며,
저렴한 액체질소를 이용하여
상용화가 가능하다는 장점이 있었습니다.
그러나 논문에 일부 오기가 있고
도덕적인 문제로 인해 노벨물리학상 후보에서 제외되었습니다.
1988년 1월, 일본 금속재료기술연구소의
히로시 마에다 연구팀은
비스무트를 기반으로 한
비스무트스트론튬칼슘구리산화물(BSCCO)을 개발했습니다.
이 물질은 108K에서도
초전도성을 유지하는 것이 확인되었습니다.
1988년 3월, 미국 아칸소 대학교
알렌 허만 교수팀은 탈륨을 기반으로 한
탈륨바륨칼슘구리산화물(TBCCO)을 개발했습니다.
이 물질은 127K에서도
초전도성을 유지하는 것이 확인되었습니다.
1993년 5월, 스위스 취리히 연방 공과대학교 한스 오트 교수팀은
수은을 기반으로 한
수은바륨칼슘구리산화물(Hg-1223)을 개발했습니다.
이 물질은 133K에서도
초전도성을 유지하는 것이 확인되었습니다.
고온 초전도체 연구에서는
구리 기반 초전도체의 쿠퍼쌍 매개체로서 포논이 아닌
스핀밀도파(SDW, Spin Density Wave) 이론이 제안되었습니다.
이론적 설명은 계속적으로 발전해왔으며,
상용화를 위해 세라믹 선재 가공법에 대한
연구도 이루어지고 있습니다.
수소화물 기반 고압 초전도체에 대한 연구들이
다양한 연구소와 대학에서 진행되고 있습니다.
이들 연구에서는 고압과 저온 조건에서
수소와 다른 원소들이 결합하여
초전도성을 나타내는 현상을 관찰하고 있습니다.
독일 막스 플랑크 연구소의 알렉산더 드로조프 연구팀은
2015년에 황 수소화물을 고압에서
초전도체로 변환하는 현상을 관찰했습니다.
이 연구에서는 온도가 203K,
압력은 88만 기압일 때 초전도성을 보였으며,
BCS 이론이 적용되었다고 보고되었습니다.
2017년에는 미국 하버드 대학교의
아이작 실베라와 랑가 디아스 연구팀이
수소를 가압하여 고체 상태로 만들면
초전도체로 변할 수 있다는 결론을 내렸습니다.
또한, 독일 막스 플랑크 연구소의
알렉산더 드로조프 연구팀은
2019년에 란타넘 수소화물이
250K의 온도와 167만 기압의 압력에서
초전도성을 나타내는 것을 발견했습니다.
2020년에는 미국 로체스터 대학교의
랑가 디아스 교수팀이
탄소질황 수소화물이 288K의 온도와
260만 기압의 압력에서 초전도성을 보인다고 주장했습니다.
그러나 이 연구는 네이처에서 게재 취소되었습니다.
2021년에는 로체스터 대학교의
랑가 디아스 교수팀이 이트륨 수소화물이
262K의 온도와 179만 기압의 압력에서
초전도성을 보인다고 주장했습니다.
하지만 이 논문도 네이처에서 게재 취소되었습니다.
2022년에는 로체스터 대학교의
랑가 디아스 교수팀이
탄소질황 수소화물이 191K의 온도와
89만 기압의 압력에서 초전도성을 보였습니다.
마지막으로, 2023년에는 로체스터 대학교의
랑가 디아스 교수팀이 루테늄 수소화물이 294K의 온도와
1만 기압의 압력에서 초전도성을 보인다고 주장했습니다.
그러나 이 논문도 네이처에서 게재 취소되었습니다.
이러한 연구들은 과학계에서 큰 관심을 받았으며,
초전도체 분야에 대한
이해를 높이는 데에 기여하고 있습니다.
그러나 일부 연구는 재현성과
데이터 분석 방법 등의 이유로
게재가 취소되기도 했습니다.
앞으로 더 많은 연구와 공유가 필요하며,
이를 통해 초전도체에 대한 이해와
응용이 발전할 것으로 기대됩니다.
2001년 3월, 아오야마학원대학의 준 아키미츠 교수팀은
구리산화물 외 금속 기반 초전도체인 MgB2(MgB2)가
39K에서 초전도 현상을 발견했습니다.
이 물질은 1953년에 발견되었으며,
낮은 임계온도를 가지지만 저렴하여 유용성이 기대되었습니다.
2008년 2월, 도쿄공업대학의 호소노 교수팀은
철과 비소에 기반한 LaOFeAs(LaOFeAs)을 개발했습니다.
처음에는 26K가 임계온도였으나,
구성을 변경함으로써 58K에서도 초전도 현상을 발견했습니다.
2010년 7월, 일본 물질과학연구소의 연구원들은
와인파티에서 농담으로 "와인이나 사케(청주)에
초전도체를 담그면 어떨까?"라고 제기했습니다.
그러자 실제로 술에 담그니
초전도 현상이 생기거나 증가하는 것을 발견했습니다.
특히 레드 와인, 화이트 와인, 맥주 순으로
초전도체 전환율이 높았습니다.
이를 바탕으로 연구를 진행한 결과,
일본 물질과학연구소의 데구치 케이타는
다양한 종류의 술에 FeTe1-xSx라는 물질을 담고 70°C로 가열하면
더 많은 양의 초전도 상태가 형성됨을 알 수 있었습니다.
2011년 3월, 일본 물질과학연구소의 연구진들은
술에 담긴 초전도체에 대한 연구를 더 진행하여
사과산, 시트르산, 베타 알라닌 등이
술 내부에서 생성되는 약한 산성 환경이
FeTe1-xSx에 존재하는 잉여 Fe 이온을 제거하여
초전도체 형성을 도와주는 역할을 한다는 이유를 밝혀냈습니다.
2011년 7월에 미국 UT 오스틴 비스터리처-맥도날드 두 교수는
그래핀을 두 층으로 적층하고
'마법의 각도(Magic-angle)'로 비틀면
초전도 현상이 발생한다는 이론을 발표했습니다.
이론은 무아레 초격자(Moiré superlattice, MSL)와 관련이 있습니다.
이후 2017년 1월에는
영국 케임브리지 대학교의
버나르도(A. Di Bernardo) 교수 연구진이
유사한 이론을 네이처에 발표했습니다.
2018년 3월에는 미국 MIT 에레로 교수 연구진이
1.7K(약 -272°C) 이하에서
앞서 발표된 이론을 실험적으로 검증하여
네이처에 2편의 논문을 게재했습니다.
2021년 2월에는 미국 MIT 에레로 교수 연구진과
하버드 김필립 연구진이 거의 동시에
'3겹'의 그래핀을 비틀어 배치하면
초전도 현상이 나타남을 보였으며,
이를 각각 네이처와 사이언스지에 발표했습니다.
2021년 7월에는 미국 MIT 에레로 교수 연구진이
3겹 그래핀이 2K(약 -272°C) 이하에서
10테슬라까지 자기장을 유지할 수 있음을 보였습니다.
그리고 2022년 7월에는 미국 MIT 에레로 교수 연구진이
4겹과 5겹 그래핀에서도 초전도 현상을 관찰했습니다.
마지막으로, 2024년 1월에는
스위스 테라퀀텀, 이탈리아 페루자 대학,
스위스 과학기술연구원이
공동으로 고배향성 열분해 흑연(HOPG)을
얇게 쪼갠 표면에서 쿠퍼쌍을 관측했습니다.
이렇게 그래핀 기반 초전도체에 대한
연구가 진행되고 있습니다.
1989년 1월 23일, 소련과학원의 연구원인
에니콜로퍈(N.S.Enikolopyan)은
산화 폴리프로필렌을 사용하여
초전도체의 가능성을 발견했습니다.
1990년 1월 10일,
아칸고로도스키(V.M.Arkhangorodoskii) 연구원은
산화 폴리프로필렌 박막을 사용하여
1차원 초전도체를 성공적으로 구현한 것을 보여주었습니다.
그리고 1990년 2월 25일,
야블로코프(M.Yu.Yablokov) 연구원은
이러한 박막에 전류를 흘려주면
매우 낮지만 0이 아닌 저항이 나타나는 현상을 관찰하였습니다.
1986년 2월, 한양대학교의 오근호 교수는
인회석(Apatite) 기반 구조체에 불순물을 도핑함으로써
결정구조를 응축시킴으로써
초전도체로 변할 수 있다는 발표를 하였습니다.
2004년 9월 9일, 영국 케임브리지 대학교의
안드레이 무라시킨 교수도 서적을 통해
인회석 기반 1차원 구조체에서
상온에서의 초전도 가능성을 언급하였습니다.
2015년 11월 30일,
일본 도쿄공업대학의 호소노 교수도
The Journal of Physical Chemistry Letters에
인회석 기반 1차원 구조체에서
상온 초전도의 가능성을 언급하였습니다.
그리고 2023년 7월 22일,
대한민국에서는 납이 도핑된
구리 기반의 인회석 구조체(LK-99)에 관한
후속 논문들이 게재되고 투고되었습니다.
마지막으로 2023년 12월 28일,
대한민국의 LK-99 연구진 중 김현탁 교수가
LK-99에 황을 추가한 후속물질인
PCPOSOS를 발표하였습니다.
초전도체 판명하는 방법
임계 온도 확인:
초전도체는 일정한 임계 온도 이하에서
초전도 상태로 전이됩니다.
따라서 초전도체인지 확인하기 위해
임계 온도를 확인하는 것이 중요합니다.
대부분의 초전도체는 매우 낮은 온도,
특히 액체 질소 (-196°C) 또는
액체 헬륨 (-269°C)와 같은 극저온에서 동작합니다.
임계온도에 따른 구분
저온 초전도체 (LTS, Low-Temperature Superconductor)는
BCS 이론에서 정의한 임계 온도 이하인 초전도체를 말합니다.
일반적으로 나이오븀 기반 초전도체들을 가리키는 용어입니다.
이러한 초전도체들은 액체 헬륨으로 냉각하여 상용화되며,
냉각 온도는 기체화점인 약 -269°C인 4.2K입니다.
고온 초전도체 (HTS, High-Temperature Superconductor)는
BCS 이론에서 정의한 임계 온도 이상인 초전도체를 말합니다.
주로 구리산화물 기반 초전도체들을 가리키는 용어입니다.
이러한 초전도체들은 액체 질소로 냉각하여 상용화되며,
냉각 온도는 약 -196°C인 77K입니다.
액체질소는 생수보다 저렴하기 때문에
이 기화점 이상인 초전도체인지 주목받습니다.
또한, 일부 경우에는 기화점이
약 -253°C인 20K의 액체 수소로 냉각하여
상용화할 수 있는 초전도체도
고온 초전도체로 분류됩니다.
이는 산업적으로 유용성을 가지고 있습니다.
자기 특성 측정:
초전도체는 자기 특성이 특별합니다.
초전도체는 외부 자기장에 대해
반대 방향의 자기장을 생성하고,
자기 유발 전류를 억제하는 특성을 가지고 있습니다.
따라서 자기 특성을 측정하여
초전도체인지 확인할 수 있습니다.
이를 위해 자기 특성을 측정하는 장비인
SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)를
사용하는 경우가 많습니다.
임계자기장에 따른 구분
제1종 초전도체 (Type 1)는
긴즈부르크-란다우 계수가 작은 초전도체를 가리킵니다.
이러한 초전도체는 주로 단원자 초전도체를 말합니다.
제1종 초전도체는 임계 자기장을 경계로
정상상태와 초전도상태로만 나누어집니다.
제2종 초전도체 (Type 2)는
긴즈부르크-란다우 계수가 큰 초전도체를 가리킵니다.
대부분의 화합물 초전도체가 이에 해당합니다.
제2종 초전도체는 상부 임계 자기장과 하부 임계 자기장이 존재하며,
하부 임계 자기장 이하에서는 마이스너 효과가 나타납니다.
그리고 혼합 영역을 거쳐 정상상태로 이어집니다.
BCS 이론은 1종 초전도체에 잘 맞지만,
2종 초전도체에는 잘 맞지 않는 이론입니다.
전기 저항 측정:
초전도체는 전기 저항이 없습니다.
따라서 전기 저항을 측정하여
초전도체인지 확인할 수 있습니다.
초전도체는 전류가 흐를 때
전기 저항이 거의 없으므로,
저항이 매우 낮은 값을 나타냅니다.
자기 효과 관찰:
초전도체는 자기 효과를 나타낼 수 있습니다.
예를 들어, 초전도체를 자기장에 노출하면
자기 효과로 인해 반대 방향의 자기장을 생성하고,
그 결과로 자기력이 발생합니다.
이러한 자기 효과를 관찰하여
초전도체인지 확인할 수 있습니다.
이러한 방법들을 사용하여
초전도체를 판별할 수 있으며,
일반적으로는 여러 가지 방법을 조합하여
확실한 판단을 내리는 것이 좋습니다.
초전도체 활용 및 이용 사례
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