<초전도체 물질에 따른 분류>
초전도체에 대한 연구가 봇물처럼 이어지므로 초전도체의 종류는 매우 많다. 그러므로 학자들은 초전도체를 물질에 따라 네 가지 분야로 분류한다.
1) 상용초전도체(Conventional SC)
BCS이론을 따르는 초전도체를 말한다.
쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는 것이 포논이라고 증명되었다는 것이 큰 성과다. 동동위원소로 인해 포논의 모드가 바뀌고 이것이 초전도성에 영향을 준다는 것이다. 또한 BCS이론에서 예측했던 질량에 대한 초전도 전이온도 함수가 실험값과 일치한다는 것도 확인되었다. 한마디로 BCS이론이 적용되는 물질이 분명히 존재한다는 뜻이다.
2) 구리기반 초전도체 (Cuprate SC)
구리를 기반으로 한 화합물이 초전도성을 나타내는 초전도체. 대부분 층상구조를 이루고 있고 구리와 산소가 이루고 있는 층이 초전도성을 나타내며 나머지 층으로 인해 여러 가지 초전도성이 달라지는 물질이 존재한다는 뜻이다.
구리기반 초전도체는 기존의 BCS이론이 맞지 않는다는데 중요성이 있다. 즉 쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는 것이 포논(Phonon)이 아닌 스핀밀도파(Spin Density Wave ; SDW)라고 예측하는데 추가적으로 상용초전도체와 비슷하게 동위원소 효과가 발견되기도 한다.
3) 철기반 초전도체 (Iron-pnictides SC)
철과 닉타이드 계열 원소를 기반으로 한 초전도체로 구리기반 초전도체와 같이 층상구조를 갖고 있다. 구리기반 초전도체와 비슷하게 철과 닉타이드로 이루어진 층이 초전도성을 나타내는데 나머지 층에 의해 초전도성이 달라지는 특성을 갖고 있다.
그런데 구리기반 초전도체를 설명했던 이론들을 볼 때 철과 같은 강자성체들이 존재한다는 것은 설명이 되지 않는다. 그러므로 새로운 설명이 필요하므로 현재 수많은 학자들이 이의 규명에 도전하고 있다.
4) 무거운 페르미온 초전도체 (Heavy-fermion SC)
란타넘 계열 원소가 들어간 금속류 초전도체다. 란타넘 계열 원소에는 f 궤도에 전자가 있는데(란타넘(La)만 이 f 전자가 없다.) 이 전자가 초전도를 매개한다고 알려진다. 그런데 이런 상용 초전도체는 포논이 초전도성을 매개한다는 것과는 다른 방식이다. 이러한 종류의 초전도체들은 초전도 임계온도인 Tc가 낮은 LTS에 속한다. 하지만 이 물질에 압력과 같은 튜닝 파라미터를 변화시키면서 반강자성 등의 변이점과 초전도 돔의 특성이 구리기반 초전도체와 유사하다.
구리기반 초전도에서의 초전도성은 그 물질의 구조와 특성이 다양하고 복잡하여 이해하기 힘든 면이 있으므로 학자들은 무거운 페르미온 초전도체를 이용하여 초전도체의 본질를 이해할 수 있을 것으로 추정한다.
학자들은 구리기반 초전도체의 본질을 이해한다면 상온초전도체를 설계할 수 있는 단서를 얻게되어 실제로 상온초전도체 제작에 한 발 더 나아갈 수 있다고 생각한다.
<적정 이론 부재>
초전도체가 수없이 발견됨에도 불구하고 학자들의 고민은 이들 이론을 하나로 통합할 수 없다는 것이다. 이 말은 초전도체가 왜 생기는지에 대한 이유를 뚜렷하게 설명할 수 없다는 뜻과 다름없다.
BCS이론으로도 세라믹 초전도 현상을 설명할 수 없었다. BCS이론에 의하면 쿠퍼쌍은 극저온 상태에서 결정 격자와 전자의 상호 작용으로 만들어지는데 이것은 30°K이하의 저온에서만 일어나는 것이다.
1986년 발견된 구리계열 초전도체는 높은 임계온도 뿐만 아니라 거의 모든 물질 특성에서 그 이전의 초전도체와 확연히 달랐다.
첫째, 이들은 좋은 전도체가 아니라 거의 부도체에 가까운 물질이다.
둘째, 이들은 자성 물질이다.
1986년 이전까지만 해도 초전도 연구의 기초로 좋은 초전도 물질을 찾으려면, 좋은 전도체 중에서 자성 물질을 제외해야 했다. 그런데 이들 물질은 거의 부도체인데다 자성 물질인 것이다. 이 말은 그동안 초전도체에서 절대적인 위력을 발휘하던 BCS이론을 완전히 다시 고찰해야 된다는 것을 의미한다.
너무나 충격적인 결과에 학자들은 두 진영으로 나뉜다.
첫째는 BCS 이론 자체가 모두 틀린 것이 아니므로 이를 수정하여 사용하자는 것이고 둘째는 원천적인 이론을 도출해야 한다는 것이다. 즉 완전히 다른 초전도 이론이 필요하다는 것이다. 26년이 지난 지금까지 두 주장은 합의를 찾지 못하고 있다. 문제는 아직 어느 쪽도 만족할만한 이론을 제시하지 못하고 있다는 점이다. 물론 학자들은 컴퓨터의 연산 속도가 아주 빠르게 증가하고 있어 머지않은 미래에 고온 초전도의 근본 원리가 규명 될 것으로 예상한다.
이러한 문제점들을 명쾌하게 풀어내는 새로운 이론이 만들어진다면 노벨 물리학상은 곧바로 그에게 돌아갈 것이라는 것이 세계 물리학계의 공통된 의견이지만 그런 상황임에도 초전도체에 대한 연구는 계속되었다.
2001년에는 최초의 BEC(Bose-Einstein Condensation)상태를 만든 공로로 에릭 코넬(Eric Allin Cornell), 볼프강 케틀레(Wolfgang Ketterie), 칼 위만(Carl Edwin) 박사가 노벨상을 수상했다.
BEC는 여러 개의 동일한 입자들이 하나의 입자처럼 행동하는 상태를 말한다. 그런 상태의 존재는 이미 1924년에 보즈와 아인슈타인에 의해 예측되었으나 기술적인 한계로 1995년에 이르러서야 루비듐(Rb)원자를 이용한 BEC 실험이 이루어졌다.
BEC상태의 물질은 초전도와 초유체의 성질을 띠는데, (전기저항이 없고 자기장을 배척하는, 점성이 없는 유체) 입자들의 온도가 절대온도로 수십억분의 1도 정도로 극저온에서만 이루어진다.
분자는 서로 충돌하고 밀쳐내는 성질 때문에 원자보다 BEC 상태로 만들기가 더 어렵다. 그림 박사팀은 레이저로 리튬(Li) 원자를 냉각시켰는데, 온도가 내려감에 따라 원자들은 화학적인 결합을 이루어 리튬분자를 구성한다. 리튬분자는 BEC 상태가 되는 온도에서도 안정한 결합을 유지했다. 이 응축물은 약 15만개의 리튬분자로 이루어졌고 20초 정도 유지되었다. 일반적인 BEC는 수 밀리초 (천분의 1초)정도밖에 유지되지 않는다.
리튬원자는 페르미온이라는 종류의 입자에 속하는데, 이 종류의 입자들은 여러 개의 입자가 똑같은 물리상태에 머무를 수 없다. (주 : 양자수와 스핀을 뜻함. 여기서는 같은 스핀을 가질 수 없다는 뜻) BEC와는 정반대의 성질을 띠는 것이다. 그러나 리튬이 결합하여 분자가 되면 그들은 또 다른 종류의 입자인 보존이 된다. 보존은 여러 개의 입자가 같은 물리상태에 존재하는 것이 가능하다.
리튬분자 응축은 이 두 상태의 경계에 존재한다. 분자의 일부는 쪼개져서 페르미온인 리튬원자로 돌아갈 수 있다. 이들은 쿠퍼쌍을 형성해서 초전도체가 될 수는 있지만 응축될 수는 없다. 페르미온 응축은 양자 컴퓨터, 중성자성, 고밀도 성간잔해의 연구뿐만 아니라 전자, 중성자, 양성자 등의 기본입자 연구에도 유용하다.
리튬분자의 BEC는 지금까지는 관측되지 않은 페르미온 응축이라는 새로운 물리현상의 이해에 도움을 줄 것으로 기대되고 있는데 2003년 오스트리아의 루돌프 그림 박사가 리튬분자로 BEC 실험에 성공했다. 이들 연구의 중요성은 원자로 BEC는 이미 성공하여 노벨상을 받았지만, 분자 BEC로는 세계최초이기 때문이다.
<극한온도에 도전>
상온에서도 초전도현상을 일으키는 것을 찾는 것도 중요하지만 학자들은 오네스의 실험 이후 학자들은 인간의 능력으로 어느 정도까지 온도를 낮출 수 있는가에도 관심을 기울였다. 우선 물리학자들은 절대 온도에 도달하는 것이 이론적으로 가능한가를 연구했다. 결론은 절대 온도에 이를 수 없다는 것이다. 독일의 물리학자 네른스트(Walther Hermann Nernst)는 절대 온도에서 에너지가 0인 것은 없고 이는 엔트로피와 밀접한 관계가 있다고 밝혔다. 그의 열역학에 대한 연구는 화학과 물리학을 조화시킨 것으로 그는 1920년에 노벨 화학상을 받았다.
학자들의 온도 낮추기는 경쟁을 촉발시켜 네덜란드의 물리학자 데이비는 자력선을 집중시키는 상자성(常磁性) 물질을 이용하여 측정되는 전체 계의 온도를 1°K 정도로 낮추었다. 그러나 이 연구에 가장 결정적인 공헌을 한 사람은 미국의 화학자 지오크(William Francis Giauque)이다. 그에 의해 절대 온도의 개념이 사실상 확립되고 낮은 온도에서의 물질들의 열역학적 특성들을 정확히 측정할 수 있는 방법이 개발되었는데 그는 ‘절대 영도에 가까운 저온에서 원자 운동 연구’로 1949년 노벨 화학상을 받았다.
어떤 화합물을 자기장에 두면 원자가 일정한 방향으로 늘어선다. 화합물의 온도를 내릴 수 있는 데까지 내리고 자기장을 제거하면 원자들은 처음의 자리로 돌아오고 이때 에너지가 소비되며 온도가 떨어진다. 이 기술은 지오크가 개발한 것인데 그는 1933년에 3만 마이크로켈빈을 얻었다. 1965년에는 온도를 더욱 떨어뜨리는 방법이 개발되어 20마이크로켈빈까지 내려갔고 1980년대에는 레이저를 사용하여 2.5마이크로켈빈까지 얻어졌다.
과학자들은 절대 0도까지는 못 도달하더라도 점점 가까이 다가가고 있다. 현재는 피코켈빈(1°K의 1조 분의 1)단위까지 내려가려는 계획도 있다. 이와 같이 온도를 내려야 하는 목적은 무엇인가. 그것은 그와 같은 극한 온도에서 새로운 현상을 발견할 지도 모르기 때문이다. 과학자들도 야구선수처럼 신기록을 세우는 것을 좋아한다.
극저온에서 나타나는 물질 현상 중에 재미있는 것 중의 하나가 헬륨이 보이는 초유동성이다. 1938년부터 소련의 카피차(Peter Leonidovich Kapitza)는 초유체(Superfluids)에 관한 연구 논문을 발표하였다. 2.2°K에서 액체가 된 헬륨이 그릇 밖으로 자연스럽게 흘러나오는 기묘한 현상을 보인다는 것이다. 이것은 액체 헬륨이 중력을 문제삼지 않는다는 놀라운 성질이었다.
이런 현상을 주목하여 말끔하게 해석한 사람이 소련의 란다우(Lev Davidovich Landau)이다. 그는 왜 저온인 2°K에서 액체상태 헬륨(원자량 4)이 마찰도 없이 전기가 흐르고 실온의 구리보다 열전도가 약 800배나 큰가를 수학적 표현으로 설명하는데 성공했다. 그는 두 개의 다른 속도로 이동하는 초유동 헬륨의 소리를 예견하였다. 즉 보통 압력파와 제2의 소리(second sound)라는 온도파이다. 헬륨은 초유동 현상을 나타내는 유일한 물질이다. 이런 예견은 1944년 페시코프에 의해 실험적으로 증명되었으며 란다우는 1962년에 노벨 물리학상을 받았고 카피차도 1978년 노벨 물리학상을 받았다.
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