절대온도 ‘0K’도, 즉 섭씨 영하 273도 부근까지 온도가 내려가면, 상온에서는 보기 어려운 특이한 물리현상들이 발견된다. 도체의 전기저항이 사라지는 초전도 현상은 그 대표적 예 중의 하나이며, 그밖에도 원자, 분자 수준에서 다양하고 중요한 여러 현상들이 발견된다.
따라서 고체물리학자들 중에 저온을 연구하는 이들이 상당히 많다. 초전도체가 지닌 독특한 특성이 수많은 노벨상 수상자를 배출할 수 있기 때문이다.
초전도 즉 전기가 흐를 때 저항이 전혀 없는 상태, 즉 ‘영(0Ω)‘이 된다는 자체가 환상을 의미하기 때문이다. 초전도체를 이용하면 전기 손실이 없는 원거리 송전이 가능하고, 축전지를 쓰지 않고도 전기를 대량으로 저장할 수 있으며, 강력한 자기장을 내는 전자석도 만들 수 있으므로 응용 분야가 무궁무진하기 때문이다. 특히 의료, 교통, 정보통신, 에너지 분야 등에서 큰 주목을 받았고 수많은 노벨상 수상자들이 연이었다.
저온물리학의 선구자인 오네스(Heike Kámerlingh Onnes)가 1911년, 액체헬륨을 사용하여 수은의 온도를 절대온도 4K, 즉 섭씨 영하 269.15도까지 내려 보는 과정에서, 전기의 저항이 완전히 없어지는 현상을 확인하였고 1913년도 노벨 물리학상을 수상하였다. 그가 레이덴 대학에 설립한 극저온 연구소는 세계적인 저온 연구의 중심지가 되었고, 지금은 그의 이름을 딴 카메를링 오네스 연구소로 불리고 있다.
그 후 고체물리학이 발달하면서 초전도 현상을 규명하는 이론들이 등장하면서 고체물리학 교과서에도 빠짐없이 등장하는, BCS 이론으로 1957년에 미국 일리노이 대학의 세 명의 물리학자, 즉 바딘(John Bardeen), 쿠퍼(Leon N. Cooper), 슈리퍼(John Robert Schrieffer) 에 의해서 발견되었다.
이 이론에 따르면, 임계온도 이하에서는 초전도체 내의 두 전자 간에 격자 진동을 통하여 인력이 작용함으로써, 이른바 쿠퍼 쌍(Cooper pair)라 불리는 전자쌍이 형성된다. 쿠퍼 페어를 이루는 두 전자는 운동량과 스핀이 서로 역방향이기 때문에 전제적으로 운동량과 스핀이 모두 0인 상태를 이루며, 초전도체 내에서는 거의 모든 전자가 쿠퍼쌍을 형성하면서 이들이 같은 방향, 같은 속도로 움직이기 때문에 저항이 전혀 없는 초전도 상태를 야기한다는 것이다.
이들 세 명의 물리학자는 1972년도 노벨 물리학상을 공동수상하였는데, 이들 중 바딘은 트랜지스터 발명으로 1956년도에 수상한 노벨 물리학상에 이어서 두 번씩이나 노벨 물리학상을 받았다.
그러나 1980년대에 들어서 새로운 초전도체들이 잇따라 발견되면서 BCS 이론은 위기를 맞는다. 즉 BCS 이론에 의하면, 초전도 현상을 나타내는 임계온도는 경우에 따라 다르지만 계산식에 의하면 대략 30K를 넘기가 어렵다. 따라서 금속이나 합금이 주종이었던 초기의 초전도체들은 초전도 현상을 보이는 극저온을 얻기 위해서 값비싼 액체 헬륨을 써야만 했으므로 실용성은 훨씬 떨어졌다.
독일의 물리학자 요하네스 베드노르츠(Johannes Georg Bednortz)와 스위스의 카를 뮐러(Karl Alexander Müller)는 1986년에 금속이 아닌 산화물 재료의 세라믹을 사용하여 기존의 임계온도보다 훨씬 높은 온도인 35K에서 초전도 현상을 구현하여 물리학계를 깜짝 놀라게 만들었고 이 공로로 1987년 노벨상을 받았다.
저온의 물리학은 레이저 및 분광학, 전자 및 물성의 연구 등 여러 다른 분야들과도 긴밀한 관련이 있으므로 특히 1990년대 중반에 접어들면서 이들과 관련된 노벨 물리학상 수상자들이 잇달아 배출된다.
1996년도 노벨 물리학상 수상자들은 ‘세계에서 가장 기묘한 액체’로 꼽히는 초유동체 헬륨-3 즉 원자량이 3인 헬륨을 발견한 미국 과학자 3명에게 돌아갔다. 로버트 리처드슨(Robert C. Richardson), 오셔로프(Douglas D. Osheroff), 데이비드 리(David M. Lee)는 헬륨의 동위원소인 헬륨-3가 절대온도 0K의 약 2/1000℃에서 초유동성을 보인다는 사실을 1972년에 밝견했다. 초유동체란 절대온도 0K에 가까운 극저온에서 점성이 사라지면서 벽을 타고 위로 흐르거나 사방으로 흩어지는 특성을 지닌 물질을 말한다.
고온 초전도체 연구에도 공헌했던 스티븐 추(Steven Chu)를 비롯한 1997년도 노벨 물리학상 수상자들의 업적 역시 저온 연구와도 큰 관련이 있다. 스티븐 추와 윌리엄 필립스(William D. Phillips), 클로드 코앙 타누지(Claude Cohen-Tannoudji)는 원자와 기체를 얼리지 않고도 극저온으로 냉각시키는 방법과 기술을 각각 독자적으로 개발하고, 결국 레이저 광으로 원자를 가두어 두는 데에 성공했기 때문이다. 이들의 연구는 보스-아인슈타인 응축물이라는 새로운 물질상태를 만들어내는 데에도 기여하고, 원자 하나로 형성되는 레이저를 만드는 데에도 응용되었다.
1998년도 노벨 물리학상 역시 저온물리학 연구자들에게 돌아갔다. 독일 출신의 호르스트 슈퇴르머(Horst L. Stormer), 미국 프린스턴대학의 다니엘 추이(Daniel C. Tsui), 스탠퍼드대학의 로버트 러플린(Robert B. Laughlin)은 극저온의 아주 강한 자기장 속에 위치한 반도체 내의 전자들이 이상한 행동을 보인다는 사실을 발견하였다. 즉 극저온의 강자기장이 걸린 상태에서는 전자들이 강하게 끌어당기면서 일종의 유체처럼 행동하므로 ‘양자 유체’라고 불리는데, 또한 이들 전자들은 마치 분수(分數)의 전하를 가진 것처럼 보인다는 것이다.
이른바 ‘분수 양자 홀 효과’라 불리는 이들의 이론은 고체물리학, 통계물리학, 입자물리학을 포괄적으로 설명할 수 있는 보다 넓은 틀을 제공하여, 현대물리학의 새로운 영역을 개척하였다는 평가를 받았다. 공동 수상자 중 한 명인 러플린은 한때 한국과학기술원(KAIST) 총장을 역임하여 우리나라에도 잘 알려진 물리학자이다.
2001년 노벨 물리학상은 「희석된 알칼리 원자 기체의 보스-아인슈타인 응축의 업적, 그리고 응축 속성에 대한 기초적 연구」로 에릭 코넬(Eric Allin Cornell), 볼프강 케테를(Wolfgang Ketterle), 칼 위먼(Carl Edwin Wieman)에게 공동 수여되었다.
초전도체에 대한 연구는 2003년에도 노벨상을 수여받았다. 노벨물리학상은 미국의 알렉세이 아브리코소프(Alexei A. Abrikosov), 앤서니 레깃(Anthony J. Leggett), 러시아의 비탈리 긴즈버그(Vitaly L. Ginzburg)에게 돌아갔다.
초전도체에는 1형, 2형 두 가지가 있는데, 1형은 임계온도 이하에서는 자기장을 완전히 배척하다가 임계온도 이상이 되면 초전도성을 잃는 반면, 2형은 자기장이 초전도체를 구멍을 통해 어느 정도 뚫고 지나갈 수 있는 특성이 있다. 아브리코소프는 이 현상을 수학적으로 설명해내고, 자기장에 따라 구멍이 몇 개가 될 것인지, 구멍끼리 부딪히고 초전도성을 잃는 현상도 예측했다. 아브리코소프의 이론은 1950년대에 란다우와 긴즈버그가 1형 2형 초전도체를 질서 파라메터 (order parameter)로 구분할 수 있음을 보인 연구를 바탕으로 이루어 졌는데, 긴즈버그의 이론과 2형 초전도체에서의 실험결과에서 보이는 차이를 설명해냈다.
또 다른 공동수상자인 레겟은 초유체에 대한 이론연구로 선정되었다. 초유체는 극저온에서 액체 상태의 물질이 점성이 없어지는 현상인데, 헬륨-4와 헬륨-3에서 발견된 현상이다. 헬륨-4는 일반적인 헬륨으로 이미 1930년대에 발견되어 50년경에 이론적으로 설명되었다. 헬륨-4는 2K (영하 271도)정도에서 초유동성, 초전도성을 가지는 초유체로 변화하는데 반해, 동위원소인 헬륨-3는 0.002K (거의 절대영도)에서 초유체가 된다는 것이 1970년대에 이르러서 발견되었다. 헬륨-3의 초유체현상은 BCS이론을 적용하여 헬륨-3 원자의 스핀이 같은 방향으로 정렬하는 짝을 이룰 때 발생한다는 것이 밝혀졌다. BCS이론에서 초전도체의 쿠퍼쌍은 스핀이 반대인 전자가 짝이 된다.
헬륨-3 초유체는 헬륨-4와 달리 원자가 쌍을 이루면서 자기적인 성질을 띠게 되는데, 이 성질을 이용하여 헬륨-3가 3개의 상(phase)을 가지고 있으며, 헬륨-3 초유체는 이 3가지의 상이 복합적으로 섞여있음이 밝혀졌다. 게렛은 이러한 현상들을 양자역학적으로 체계적인 이론을 정립한 공로를 인정받아 노벨상을 수상했다.
초유체 현상은 작은 회전력을 섭동으로 주었을 때, 임계온도 위에서는 질서있는 운동을 하다가 임계온도 이하가 되면 난류운동으로 변화한다. 앞으로 게렛의 이론과 헬륨-3 초유체현상을 통해 물리학의 최대난제 중 하나인 난류운동의 연구가 더욱 활발해질 전망이다.
<노벨상 추천서>
2003년 노벨상은 ‘현대 초전도체와 초유체 현상에 대한 이론적 토대 확립’으로 수상하였는데 그동안 발빠르게 움직이는 초전도체 연구의 전반을 파악하는데 도움이 된다.
‘전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
올해의 노벨 물리학상의 주제는 질서에 관한 것입니다. 우리 일상에서의 질서가 아니라 원자나 전자 등 미시세계에서의 질서입니다. 양자역학의 지배를 받는 미시세계에서는 우리 일상에서 전혀 관찰할 수 없는 현란한 현상들이 일어납니다. 그러나 전자나 원자의 질서가 어떤 특별한 형태일 경우에는 미시세계의 양자현상을 아주 크게 증폭시켜 눈으로도 그 현상을 볼 수 있게 해줍니다. 물리 분야의 올해 노벨상은 미시세계의 질서와 초전도 혹은 초유체라고 불리는 거시현상 간의 관계를 밝히는 데 기여한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다.
1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(1913년 노벨 물리학상 수상)는 절대온도 0도 근처의 낮은 온도에서 수은의 전기저항이 사라지는 현상을 발견하고 초전도현상이라는 이름을 붙였습니다. 곧이어 러시아의 물리학자 피요트르 카피차(1978년 노벨 물리학상 수상)는 유사한 이름을 붙인 초유체현상, 즉 액체헬륨이 초전도현상이 일어나는 임계온도보다 더 낮은 온도에서 내부저항 없이 흐르는 현상을 관찰했습니다. 초전도현상이 발견되자마자 과학자들은 이 현상이 현대 산업에서 매우 광범위한 중요성을 갖게 될 것임을 알았습니다. 예를 들면 초전도 전선으로 코일을 만들면 에너지 손실이 없는 매우 강력한 전자석을 만들 수 있습니다. 그러나 불행하게도 대부분의 초전도체는 매우 약한 자기장에 의해서도 보통의 금속으로 돌아가버리고 말았습니다. 곧이어 초전도성과 자성을 동시에 수용해서 강한 자기장 속에서 초전도성을 유지하는 새로운 형태의 초전도체가 발견되었습니다. 이렇게 만들어진 초전도 자석은 의료 진단기나 입자물리학자들이 사용하는 거대 가속기의 고해상도 자기영상장치에 사용되는 등, 현대 사회에서 대단히 중요한 역할을 하고 있습니다.
올해 수상자 중 비탈리 긴즈부르크 교수와 알렉세이 아브리코소프 교수는 초전도성과 자성이 어떻게 동시에 수용되는지를 이해하는 데 결정적인 기여를 했습니다. 긴즈부르크 교수는 레프 란다우(1962년 노벨 물리학상 수상)와 함께 초전도성이 어떤 임계 전기장이나 자기장에 의해 사라지는 현상을 이전보다 훨씬 자세히 기술할 수 있는 이론을 만들었습니다. 그들은 전자들 간의 질서를 기술할 수 있는 방법을 제안하고 초전도성 질서 파라미터를 제안했습니다. 그들은 깊은 물리적 통찰로 초전도체에서의 질서도를 결정할 수 있는 수학식을 만들어 냈는데, 그 식은 그 당시에 초전도체로 알려진 물질에서 측정된 값들과 잘 일치하는 것이었습니다. 특히 강조하고 싶은 것은 긴즈부르크`―`란다우 이론의 타당성이 광범위하게 적용될 수 있어서, 현대 물리학의 많은 분야에서 새로운 지식을 얻는 데 널리 활용되고 있다는 점입니다
그러나 곧이어 새로운 초전도 재료에서 예상치 못한 결과들이 관찰되었습니다. 아브리코소프 교수는 이러한 차이를 설명하는 좀 더 복잡한 형태의 질서를 발견했습니다. 그는 깊은 통찰력을 가지고 긴즈부르크`―`란다우식을 분석하여 질서도의 공간분포에 어떻게 보티스가 형성되는지를 보일 수 있었습니다. 그리고 자기장이 이것을 통해 어떻게 초전도체 내로 침투하는지를 보였습니다. 보티스는 욕조의 물을 비울 때 물에 생기는 소용돌이와 본질적으로 같은 것입니다. 아브리코소프 교수는 2종 초전도체라고 하는 새로운 종류의 물질에서 초전도성과 자성이 동시에 수용되는 이유를 완벽하게 설명하였습니다. 초전도 물질의 연구에 새로운 돌파구가 생긴 것입니다.
더 복잡한 종류의 질서는 1970년대 초에 발견된 헬륨―3의 초유체에서 관찰되었습니다. 이것은 더 무거운 동소체인 헬륨―4가 대부분을 차지하는 자연상태의 헬륨에서 카피차가 처음으로 초유체를 발견한 것보다 훨씬 나중의 일이었습니다. 두 동소체 간에는 근본적인 차이가 있습니다. 헬륨―4는 보스`―`아인슈타인 응축현상에 의해 초유체로 직접 질서화되는 보손이라고 부르는 입자군의 하나인 반면 헬륨―3는 전자와 똑같은 페르미온입니다. 이런 입자들이 초유체상태로 되기 위해서는 먼저 짝을 이루어야 합니다.
헬륨―3 액체 상태의 원자 짝은 내부에 자유도가 존재한다는 것이 밝혀졌습니다. 이것은 서로의 주위를 돌기 때문이기도 하고 물리학자들이 스핀이라고 부르는 자기적 특징 때문이기도 합니다. 결국 여기서는 긴즈부르크`―`란다우 질서 파라미터가 초전도체에서처럼 2개가 아니라 18개의 성분을 가지며 초유체의 특성이 방향에 따라 달라지는 이방성을 가집니다. 앤서니 레깃 교수는 새로운 초유체의 특성과 복잡한 질서 파라미터를 수용하는 다른 형태의 질서도 사이의 관계를 설명하는 데 성공하였습니다. 그의 이론은 실험 연구자들이 그들의 측정 결과를 해석할 수 있게 해주었고 체계적인 연구의 틀을 제공했습니다. 레깃 교수의 이론은 액정물리나 천문학과 같은 분야에서도 광범위하게 사용되고 있습니다.
아브리코소프 교수님, 긴즈부르크 교수님, 레깃 교수님.
여러분은 초전도와 초유체 이론에서의 선구적 기여로 2003년 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대표하여 축하 말씀을 전하게 되어 대단히 영광스럽습니다. 이제 나오셔서 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다‘
4차 산업혁명의 미래 첨단기술로 핵융합 발전, 대규모 입자가속기 등 거대과학 분야에서 강력한 자기력을 발생시키는 초전도자석은 필수적이다. 또한 자기부상열차, 초고속 슈퍼컴퓨터, 초전도 양자간섭소자(SQUID)를 이용한 의료용 장비, 초전도 전선을 이용한 송전 및 전기의 저장 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대되자 세계 물리학계에서는 초전도체 연구 붐이 일어나서, 보다 높은 온도의 초전도체 물질을 개발하는데 앞장섰다. 보다 고온에서 초전도 현상을 보이는 물질을 만들 수 있다면 값비싼 액체 헬륨 대신에 액체 질소, 즉 더 고온이라면 일반 냉장고 냉매를 이용할 수도 있기 때문이다.
그렇게 되면 훨씬 저렴한 비용으로 초전도체를 구현할 수 있을 것이므로 폭넓은 실용화와 이에 힘입은 ‘초전도 산업혁명’을 기대할 수 있을 것이기 때문이다. 그 이후로 국내외에서 매우 높은 온도에서, 심지어 상온에 가까운 온도에서도 초전도 현상을 구현했다는 발표가 잇따랐으나 상당수 과장과 오류로 알려졌고 현재 최고의 임계온도는 대체로 약 130K 정도이며 이를 높일 수 있는 재료 개발이 한창이다.
재료 개발뿐만 아니라 이론 개발도 진행 중이다. BCS 이론의 경우 저온 초전도체에서는 비교적 잘 들어맞지만 고온 초전도체에서는 설명이 어렵기 때문이다. BCS 이론을 대체 또는 보완할만한 획기적인 새로운 초전도 이론이 나온다면 곧바로 노벨상을 수상할 것으로 보인다.
참고문헌 :
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「고온초전도체」, 이성익, 가우리블러그정보센터, 2004.10.29.
「기존 반도체보다 속도·효율 1000배 빠른 ‘초전도 기술’」, 이재원, 파이낸셜뉴스, 2007.11.27.
「26년 전 노벨상 이론 틀렸습니다」, 박방주, 중앙일보, 2008.07.11
「다른 측면에서 조명한 초전도 이야기」, 김창영, 크로스로드, 2011년9월(7권 9호)
「끝나지 않은 초전도 역사」, 방윤규, 크로스로드, 2011년9월(7권 9호)
「한여름에 떠올리는 ‘저온 물리학’」, 최성우, 사이언스타임스, 2017.08.04
「초전도체와 노벨물리학상」, 최성우, 사이언스타임스, 2017.09.29
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『사이언스 오딧세이』, 찰스 플라워스, 가람기획, 1998
『물리법칙으로 이루어진 세상』, 정갑수, 양문, 2007
『노벨상수상자들의 학습 이야기』, 최선화, 연변인민출판사, 2009
『교양인을 위한 노벨상 강의(물리학상)』, 야자와 사이언스연구소, 김영사, 2011
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