초전도 현상

3. 초전도체의 성질

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되고, 마이스너 효과를 통해 자기장을 밀어내는 등 일반적인 도체와는 다른 독특한 성질을 보인다. 이러한 성질은 물질의 종류에 따라 달라지는 부분도 있지만, 모든 초전도체에서 공통적으로 나타나는 현상도 있다.

초전도체의 대표적인 성질은 다음과 같다.

• 완전 도전성: 전기 저항이 0이 되어 전류가 손실 없이 영구적으로 흐를 수 있다.
• 마이스너 효과: 완전 반자성이라고도 불리며, 초전도체 내부의 자기장을 0으로 만든다.
• 자기 선속 양자화: 제2종 초전도체 내부를 통과하는 자기 선속은 특정 값의 정수배로만 존재한다.
• 조셉슨 효과: 두 초전도체 사이에 얇은 절연막을 두면 전압 없이도 전류가 흐르는 현상이다.
• 자속 격자 상태: 제2종 초전도체에 특정 세기 이상의 자기장을 가하면, 양자화된 자기 선속이 초전도체 내부에 침투하여 규칙적인 배열을 이룬다.
• 핀닝 효과: 자속 격자 상태에서 외부 자기장의 변화에 따라 자속 격자가 움직이지 않고 고정되는 현상이다.
• 임계 자기장: 초전도 상태가 깨지는 특정 세기의 자기장으로, 제2종 초전도체에는 두 종류의 임계 자기장이 존재한다.
• 비열의 이상: 초전도 상태로 전이될 때 비열이 급격하게 변화한다.
• 퀀치: 초전도 자석에서 초전도 코일 일부가 상전도 상태로 돌아가는 현상이다.
• 에너지 갭의 존재: 초전도체 내 전자들은 쿠퍼 쌍을 형성하며, 이 쿠퍼 쌍을 분리하는 데 필요한 최소한의 에너지가 존재한다.
• 동위원소 효과: 초전도체의 임계 온도가 구성 원소의 동위원소 질량에 따라 달라지는 현상이다.^[98]

• 1종 초전도체: 나이오븀, 테크네튬, 바나듐, 탄소 나노튜브를 제외한 대부분의 순수한 단원자 초전도체가 여기에 속하며^[32], 임계 자기장($H_c$)이 하나만 존재한다. 외부 자기장이 $H_c$보다 약하면 마이스너 효과로 자기장을 완전히 밀어내지만, $H_c$ 이상이 되면 초전도성이 갑자기 사라진다.
• 2종 초전도체: 불순물이 섞이거나 화합물인 초전도체는 대부분 2종 초전도체이며, 두 개의 임계 자기장($H_{c1}$, $H_{c2}$)을 갖는다. 외부 자기장이 $H_{c1}$과 $H_{c2}$ 사이일 때는 자기 선속이 물질을 통과하지만 저항은 0인 '혼합 상태'가 된다. 외부 자기장이 $H_{c2}$보다 커지면 초전도성이 없어진다.

3. 1. 완전 도체 (직류 전기 저항 0)

3. 2. 초전도 상전이

3. 3. 마이스너 효과

3. 4. 런던 모멘트

3. 5. 1종 초전도체와 2종 초전도체

3. 6. 핀닝 효과

3. 7. 에너지 띠틈

4. 초전도 현상 이론

초전도 현상을 설명하기 위한 노력은 초전도체가 발견된 이래로 꾸준히 이어져 왔다. 1950년대에는 긴즈부르크-란다우 이론(1950)과 BCS 이론(1957)이 등장하여 *일반적인* 초전도체에 대한 이해를 넓혔다.^[14][15] 그러나 1986년, BCS 이론으로는 설명하기 어려운 30K 이상의 높은 임계 온도를 갖는 고온 초전도체가 발견되면서, 초전도 현상에 대한 새로운 이론적 접근이 필요하게 되었다.^[7]

일반적인 도체에서 전류는 전자가 이온 격자 사이를 이동하면서 발생하며, 이 과정에서 전자와 격자의 충돌로 인해 에너지 손실, 즉 전기 저항이 발생한다. 그러나 초전도체에서는 쿠퍼 쌍이라는 묶인 전자쌍이 형성되어 초유체처럼 에너지 손실 없이 흐를 수 있다. 양자역학적으로 쿠퍼 쌍의 흐름은 에너지 스펙트럼에 띠틈을 만들어, 전자가 격자에 의해 산란되지 않도록 한다.

2종 초전도체는 초전도 상전이 근처에서 강한 자기장과 함께 전류가 가해질 때 약간의 비저항을 보일 수 있는데, 이는 전자 초유체의 소용돌이(vortex) 때문이다. 하지만 전류가 충분히 작으면 소용돌이는 정지하고 비저항은 사라진다. 온도가 더 낮아지면 소용돌이들이 "와동 유리"(vortex glass^영어) 상으로 변하여 저항이 0이 된다.

초전도 현상은 물질의 온도가 임계 온도(''T_c'') 이하로 내려갈 때 나타나는 상전이 현상이다. 임계 온도는 물질마다 다르며, 일반 초전도체는 20K에서 1K 이하의 값을 가진다. 이붕화 마그네슘은 39K의 임계 온도를 가지는데, 일반 초전도체로 분류할지에 대해서는 논란이 있다. 구리계 초전도체는 훨씬 높은 임계 온도를 가지며, YBa₂Cu₃O₇는 92K, 수은계 초전도체는 130K 이상의 임계 온도를 갖기도 한다.

초전도 상전이 시에는 비열과 같은 물리량의 급격한 변화가 나타난다. 초전도 상전이의 상전이 차수는 논란이 있었으나, 최근에는 무질서 장 이론을 통해 소용돌이 끈이 중요한 역할을 하며, type I 영역에서는 1차, type II 영역에서는 2차 상전이로 나타난다는 것이 밝혀졌다.

초전도 현상에 대한 주요 이론은 다음과 같다:

• 런던 방정식: 프리츠 런던과 하인츠 런던 형제가 제시한 초전도 현상 이론 모델이다.^[12]
• 긴즈부르크-란다우 이론: 란다우와 긴즈부르그가 1950년에 고안한 이론이다.^[16]
• BCS 이론: 1957년 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 초전도 현상에 대한 완전한 미시적 이론을 제안했다.^[15]

4. 1. 런던 방정식

4. 2. 긴즈부르크-란다우 이론

4. 3. BCS 이론

4. 4. 고온 초전도 이론

• 강상관 전자계 기반 이론: 전자가 강하게 상호작용하는 시스템에서 나타나는 현상을 기반으로 고온 초전도 현상을 설명하려는 이론이다.
• 공명 원자가 결합 이론: 전자들이 쌍을 이루어 공명하는 상태를 기반으로 고온 초전도 현상을 설명하려는 이론이다.
• 스핀 요동 이론: 파라마그논으로 알려진 단거리 스핀파에 의해 전자 쌍 형성이 매개된다는 가설이다.^[57][58][59]

5. 초전도체의 분류

초전도체를 분류하는 기준은 여러 가지가 있다.

• 자기장 응답에 따른 분류: 1종 초전도체와 2종 초전도체로 나뉜다. 1종 초전도체는 마이스너 효과로 인해 특정 임계 자기장 이하에서 자기장이 침투하지 못하지만, 2종 초전도체는 상부 임계 자기장과 하부 임계 자기장 사이의 영역(소용돌이 상태 또는 혼합 상태)에서 자기장이 일부 침투해도 초전도성을 유지한다.
• 이론적 설명에 따른 분류: BCS 이론으로 설명되는 통상 초전도체와 BCS 이론으로 설명되지 않는 이상 초전도체로 나뉜다.^[35][36] 주문 매개변수가 계의 점군 또는 공간군의 비자명한 기약 표현에 따라 변환되는 경우에도 이상 초전도체라고 한다.^[37]
• 임계 온도에 따른 분류: 액체 질소의 끓는점(77K)을 기준으로 고온 초전도체와 저온 초전도체로 나뉜다.
• 물질에 따른 분류: 단원자(수은, 납 등), 합금(나이오븀-타이타늄, 저마늄-나이오븀 등), 세라믹(YBCO, 이붕화 마그네슘 등), 유기 초전도체(풀러렌, 탄소 나노튜브 등), 초전도 펜타크티드(불소 도핑된 LaOFeAs 등) 등으로 분류할 수 있다.

5. 1. 자기장 응답에 따른 분류

5. 2. 이론적 설명에 따른 분류

• '''통상 초전도체''' (conventional superconductor^영어): BCS 이론으로 설명되는 초전도체이다. 전자-포논 상호작용에 의해 구동되고 일반적인 BCS 이론 또는 그 확장인 엘리아시베르그 이론으로 설명될 수 있다.^[35][36]
• '''이상 초전도체''' (unconventional superconductor^영어): BCS 이론으로 설명되지 않는 초전도체이다. 초전도 주문 매개변수가 계의 점군 또는 공간군의 비자명한 기약 표현에 따라 변환되는 경우에도 이상 초전도체라고 한다.^[37]

5. 3. 임계 온도에 따른 분류

• 고온 초전도체: 임계 온도가 액체 질소의 끓는점인 77 K (−196℃)보다 높은 경우를 말한다. YBCO와 같은 세라믹 물질이 이에 해당하며, 액체 질소 냉각으로 초전도 현상을 구현할 수 있어 공학적으로 중요하다.^[52]
• 저온 초전도체: 임계 온도가 77 K보다 낮은 경우를 말한다. 수은, 납과 같은 단원자 물질이나 나이오븀-타이타늄과 같은 합금이 이에 해당하며, 주로 액체 헬륨을 사용하여 냉각한다.
• 상온 초전도체: 임계 온도가 상온(0℃ 이상)인 초전도체를 의미하지만, 2023년까지 확실하게 발견되지는 않았다. 2020년에 270기가파스칼의 압력 하에서 수소, 탄소, 황으로 만들어진 물질이 288K(약 15℃)에서 초전도 현상을 보였다는 논문이 ''네이처''지에 발표되었으나, 데이터 처리 과정에 대한 문제 제기로 인해 철회되었다.^[72][73][74] 2023년에는 고배향 열분해 흑연에서 상온 및 상압 초전도성을 보인다는 주장이 제기되었다.^[75]

5. 4. 물질에 따른 분류

6. 초전도체의 응용

초전도 자석은 현재까지 알려진 가장 강력한 전자석 중 하나로, MRI이나 NMR 기기, 질량 분석기, 입자 가속기에 쓰이는 광선 조타 자석 등에 사용된다. 또한, 입자들을 자성에 따라 분리하는 자기 분리에도 쓰이는데, 이는 안료 산업 등에서 활용된다.

초전도체는 디지털 회로, RF 회로, 마이크로파 회로, 휴대 전화 기지국을 만드는 데 사용된다. 또한, 가장 민감한 자력계인 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)의 구성 단위인 조세프슨 접합을 만드는 데 사용된다. 조세프슨 장치는 국제단위계의 단위 볼트를 정의하는 데 사용되며, 광자 검출기나 혼합기로도 활용된다. 일반 상태에서 초전도 상태로 전이할 때의 큰 저항 차이는 저온 열량계나 미소열량계의 온도계나 광자 검출기를 만드는 데 사용될 수 있다.

초전도 물질을 사용했을 때 장치의 효율성, 크기, 무게에서의 이점이 초전도 물질 사용으로 발생하는 추가 비용보다 큰 경우 새로운 시장이 성장하고 있다. 유망한 응용 예로는 고성능 변압기, 전력 저장 장치, 전력 전달기, 전기 모터, 자기 부상 장치, 과도 전류 제한기 등이 있다. 그러나 초전도는 변화하는 자기장에 민감하기 때문에 교류를 사용하는 장치(예: 변압기)를 만드는 것은 직류를 사용하는 것에 비해 더 어렵다.

초전도체는 마이스너 효과로 인해 자석 위에 떠 있을 수 있으며, 저항이 없어 전력 손실 없이 대량의 전기를 저장하거나 송전할 수 있다. 또한, 매우 센 전류를 흐르게 하여 강한 자기장을 얻을 수 있어 자기 부상 열차에 사용 가능하다.

초전도 현상은 측정에 초전도 전자석을 사용하는 분야에서 이미 널리 실용화되고 있다. 하지만, 냉각에 값비싼 액체 헬륨을 사용해야 하는 문제가 있어 보급에 큰 어려움이 있다.

분야별 활용 분야는 다음과 같다.

6. 1. 에너지/전력

• 초전도 핵융합: 일부 토카막의 플라즈마 가둠 자석에 초전도 자석이 사용된다.
• 초전도 에너지 저장 장치(SMES): 높은 출력과 짧은 응답 속도가 주목받고 있으며, 순간 정전 보상용으로 실용화되었지만, 현재로서는 대전력을 저장하기에는 이르지 못하고 콘덴서에 가깝다.
• 초전도 변압기: 고성능 변압기에 활용될 수 있다.
• 초전도 케이블: 기존 송전선과 비교하여 초전도 송전선은 더 효율적이며 공간의 일부만 필요하다. 이는 환경 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 전력망 확장에 대한 대중의 수용도를 높일 수 있다.^[83] 저전압에서 고전력 송전이 가능하다는 점이 또 다른 매력적인 산업적 측면이다.^[84]
• 초전도 발전기: 풍력 터빈의 경우 초전도 발전기의 무게와 부피가 감소하면 건설 및 타워 비용을 절감하여 발전기의 높은 비용을 상쇄하고 총 평준화 전력비용(LCOE)을 낮출 수 있다.^[81] 산업용 3.6메가와트 초전도 풍력 발전기가 덴마크에서 성공적으로 시험되었다.^[77]

6. 2. 수송

6. 3. 의료/과학

6. 4. 환경/산업

6. 5. 전자/정보

6. 6. 기타

• 초전도 전자석
• 초전도 가속기 공동
• 초전도 전력선
• 초전도 모터 (개발 중)
• 핵자기공명 - 핵자기공명영상(MRI) (실용 중)
• 자기 부상식 철도(초전도 리니어) (실증 실험 단계)
• 핵융합로 (계획 중)
• 초전도 양자 간섭계(SQUID)
• 자기 차폐 장치
• 초전도 송전선 (소규모 실증 실험 단계)
• 자기 추진 선박 - 실험선 야마토 1호(ヤマト1)
• 초전도 에너지 저장 장치(SMES) (순간 정전 보상용으로 실용화됨)
• 초전도 트랜지스터 - 조셉슨 컴퓨터 (실용화는 요원함)
• 초전도 전이단 센서(초고감도 열량 센서로 실용화됨)

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