1. 초전도현상과 초전도체
초전도현상(Superconductivity)이란 어떤 물질이 적절한 조건 하에서 물질의 전기저항(Electric Resistance)이 완전히 사라지는 특성과 자기장을 배척하는 완전반자성(Perfect Diamagnetism) 특성을 갖게 되는 현상을 말한다. 초전도는 전기저항이 제로이기 때문에 다른 어떤 물질보다도 전기전도성이 뛰어나 최고의 전도체라는 의미로 붙여진 이름이다. 초전도체가 되기 위해서는 온도(Temperature) / 자기장(Magnetic Field) / 전류(Current) 가 적절한 조건을 유지해야 한다. 상온에서 초전도성을 나타내지 않는 물질이 적절한 조건 하에서 초전도체로 변하는 것을 정상상태 (Normal State)에서 초전도상태 (Superconductivity State)로의 전이(Transition)라 하는데, 특히 열역학적인 초전도상태에서 초전도체가 외부자기장과 통전전류가 없는 상황에서 초전도성을 나타내는 최고의 온도를 임계전이온도 (Critical Transition Temperature)라고 한다. 초전도물질은 종류에 따라 고유의 임계전이온도를 가지며, 보통 저온초전도체들은 ~20K (-253도) 이하이다. 일반적으로 초전도 현상이 일어날 수 있는 상황은 3가지 기본조건인 온도, 자기장의 세기 및 전류밀도에 따라 달라진다.
2. 초전도체란?
물질은 기본적으로 전기적 저항에 따라 도체(Conductor)와 부도체(Insulator)러 나눌 수 있다. 도체란 열 또는 전기의 전도율이 큰 물질인 구리나 철 등의 금속과 같은 물질을 의미하고, 부도체란 열 또는 전기의 전도율이 비교적 작은 물질인 나무, 돌과 같은 세라믹 산화물들을 말한다. 초전도체는 이러한 여러가지 도체 중에서 통전전류에 대한 전기저항이 전혀 없는 완전도체라 할 수 있다.
3. 전기저항 "0"
일반적으로 전도성이 좋은 금속성 물질들을 전자현미경을 통하여 내부를 관찰하면, 물질들을 이루는 원자들이 규칙적으로 배열된 격자구조(Lattice Structure) 를 이루고 있음을 확인할 수 있다. 이런 물질 내에 전기 흐름의 매개체 역할을 하는 자유전자(Free electron) 들이 있는데, 자유전자들은 원자들과 충돌 등을 일으키며 무작위방향으로 운동을 한다. 그러나 외부적으로 어떤 전압 등이 인가되면 전위차에 따른 방향으로 일제히 움직이는 힘을 받게된다. 이때 열적 효과로 인해 격자들의 진동 혹은 물질 내부의 불순물(Impurity) 및 결함 (Defect) 들로 인하여 전자들의 충돌양이 많아짐으로써 전자들이 가지고 있는 운동에너지 등을 잃어버리고 이동 속도가 늦어지게 되는데, 전기저항(Electric Resistivity) 는 이러한 상황에서 발생하게 된다. 극저온에서 순도가 높은 금속의 전기저항이 작은 이유는 불순물 및 결함들이 없고 격자들의 열적 진동이 거의 없어 이동 전자들의 충돌이 적어지고 자유롭게 움직일 수 있기 때문이다. 이러한 초전도 현상의 이론적 해석은 1957년 일리노이 주립대학의 "J. Bardeen", "L.P. Cooper", "J.R. Schrieffer" 3명의 물리학자들에 의해 이루어져, 이를 BCS이론이라고 부른다. 이와 같이 초전도현상을 설명하는 BCS이론의 핵심은 쿠퍼 전자쌍(Cooper Pair) 개념이다.
초전도체 내에 음전하를 띄는 제1의 전자가 양전하를 갖는 양이온들의 격자구조 내를 움직일 때, 음전하 전자와 격자를 이루는 양전하 양이온들과의 쿨룽-힘 (Coulomb Force)원인으로 제 1의 전자 주위로 양전하 양이온들이 끌려가 부분적인 양전하 밀도가 커져 주위의 다른 제 2의 전자를 끌어들이게 된다. 즉 제1의 전자 움직임에 따라 격자의 부분적인 분극화가 일어나고 제 2의 전자가 제 1전자의 궤도를 따라 분극화된 격자부분으로 빨려들어가게 되는 것이다. 이와 같이 격자의 부분적인 분극화의 원인이 되는 제 1의 전자와 분극화된 부분으로 빨려 들어가는 제 2의 전자를 함께 움직이는 쿠퍼쌍이라고 한다. 따라서 쿠퍼쌍 전자들은 초전도 상태에서 격자진동의 도움을 받아 에너지를 잃어버리지 안혹 저항없이 운동하게 된다. 이때 양이온 격자의 진동이 초전도현상을 나타내는 결정적인 역할을 하게 되므로, 양이온들의 성질이나 결합구조가 쿠퍼전자쌍을 이루는데 적절한 물질만이 초전도체가 될 수 있으며, 초전도체들 간에도 초전도 현상을 나타내는 온도, 자기장 및 전류 등의 조건들에 차이를 보이게 된다. 특히 양이온 격자의 진동과 초전도 현상의 밀접한 관계는 이들 양이온이 동위원소로 치환될 경우 질량변화로 생기는 격자의 진동 차이로 임계 전이온도 변화로 알 수 있다.
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