초전도체 역사 소개

지난주 한국 연구팀이 실온 초전도체 관련 논문을 발표하며 전 세계적으로 초전도 열풍을 일으켰습니다. 오늘은 그 열기를 타서 초전도체 역사를 간략히 소개해 드리겠습니다!

왜 초전도체에 기대가 모이는가?

초전도체는 특정 조건에서 전기 저항이 0이 되고 자기장을 완전히 배척하는 놀라운 물리 현상입니다. 이는 전류가 흐르는 과정에서 인위적인 방해가 없다면 전류가 영원히 감쇠하지 않고, 모든 송전선로의 손실이 없어지며 발전량 요구를 크게 줄일 수 있다는 뜻입니다.

이 분야의 발전 과정은 많은 유명 과학자들, 중요한 실험 발견, 이론적 돌파와 밀접히 얽혀 있습니다. 함께 초전도체 역사의 발자취를 탐구하며, 어떻게 신비로운 현상이 점차 밝혀지고 응용되었는지 알아봅시다.

초전도체 역사

초전도체의 역사는 19세기 말로 거슬러 올라갑니다. 1881년, 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)는 헬륨을 절대 영도(-273.15°C 또는 0K)에 가깝게 냉각하는 데 성공했습니다. 거의 절대 영도에 가까운 극저온 환경에서, 오네스는 특정 금속들의 전기 저항이 갑자기 사라지는 현상을 우연히 관찰했으며, 이것이 초전도 현상의 최초 발견이었습니다. 이후 오네스는 연구를 계속하여 이 현상이 금속뿐만 아니라 일부 화합물과 합금에서도 발생한다는 것을 밝혀냈습니다.

하지만 당시에는 초전도체의 신비가 충분히 이해되지 않았습니다. 1933년, 스위스의 물리학자 발터 마이스너(Walter Meissner)와 로버트 옥센펠트(Robert Ochsenfeld)가 협력하여 유명한 마이스너-옥센펠트 효과(Meissner-Ochsenfeld Effect)를 제안했습니다. 이 효과는 초전도체가 자기장을 배척하는 현상을 밝혀냈으며, 이를 ‘마이스너 효과’라고도 합니다. 이 발견은 초전도체에 대한 이해를 한층 깊게 할 뿐만 아니라, 이후 초전도체 응용의 기초가 되었습니다.

초전도체 연구가 진전됨에 따라 과학자들은 초전도 현상의 본질을 설명하기 위해 노력하기 시작했습니다. 1957년, 존 바딘(John Bardeen), 레너드 쿠퍼(Leon Cooper), 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffer)가 유명한 BCS 이론을 제안하였으며, 이 이론은 초전도체 내 전자쌍(쿠퍼 쌍)의 형성 메커니즘을 설명합니다. BCS 이론은 저온 초전도체의 거동을 이해하는 중요한 틀로 자리잡았으며, 초전도체 연구의 이론적 기초를 마련하였습니다.

초기의 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 나타낼 수 있어 실제 활용에 큰 제약이 있었습니다. 그러던 중 1986년, 고온 초전도체의 발견이 과학계에 큰 반향을 일으켰습니다. 스위스 물리학자 조르지 베드노르츠(Georg Bednorz), 독일 물리학자 K. 알렉산더 뮐러(K. Alex Müller), 미국 물리학자 J. 조르지 베드노르츠(J. Georg Bednorz) 등 연구진이 구리 산화물 계열 화합물이 상대적으로 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타낼 수 있음을 발견한 것입니다. 이 돌파구는 초전도체가 더 이상 극저온 환경에만 제한되지 않고, 보다 실용적인 응용 분야에서 활용될 가능성을 열었습니다.

그 이후로 고온 초전도체 연구는 크게 발전해 왔습니다. 과학자들은 다양한 고온 초전도 재료를 발견했고, 고온 초전도의 여러 미스터리를 점차 밝혀내고 있습니다. 이들 재료는 액체 질소 온도에서도 초전도 현상을 나타낼 수 있어, 전력 전송, 자기 부상(마그네틱 레비테이션), 전자 부품 등 다양한 분야에서 초전도 기술의 응용 가능성을 크게 넓혔습니다.

초전도체의 응용은 계속해서 확장되고 있습니다. 전력 전송 분야에서 초전도 전선의 사용은 전류 전송 시 에너지 손실을 크게 줄여 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 또한, 초전도 자석은 핵자기공명영상(MRI) 같은 의료 진단 기술에서 중요한 역할을 하며, 과학 연구, 입자 가속기, 양자 컴퓨팅 등 다양한 분야에서도 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.

요약하자면, 초전도체 역사는 초기의 현상 관찰에서부터 이후 실질적인 응용과 구현에 이르기까지 긴 발전 과정을 거쳤습니다.

실온 초전도체가 기대되는 이유

앞서 언급한 바와 같이, 실온 초전도체가 큰 관심과 기대를 받는 이유는 기존의 초전도체들이 극저온에서만 초전도 현상을 나타내고 기능하기 때문에 실제 사용이 어렵기 때문입니다. 만약 실온 초전도체가 등장한다면, 이는 현재의 과학기술 발전에 혁신적인 변화를 가져와 완전히 새로운 초전도 시대를 열 가능성이 큽니다.