초전도성

 초전도 현상은 아마도 지금까지의 고체물리학 연구 중 가장 괄목할 만한 것일 것이다. 초전도 현상은 전기 저항의 사라짐과 자속의 제거로 특정지어 질 수 있다.

 100년 이상 전에 발견된 이후 얼마동안은, 초전도 현상은 주로 과학적인 호기심을 불러일으킬 뿐 실용적인 응용과는 멀었다. 그러나 최근, 특히 고온 초전도체(즉 온도가 77K를 초과하는)의 도래와 함께 상황은 바뀌게 되었다. 오늘날 초전도체는 다양한 응용분야에 사용된다. 또한, 더 고온을 갖는 초전도체에 대한 밝은 전망은 물리학자들이게 더 지속적으로 연구하고 특성에 대해 이해하게끔 만든다. 

 초전도 현상은 두개의 독특한 거시적 특성을 갖는 특별한 물리적 상태이다. 이 중 첫 번째는 영의 비저항으로 먼저 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 카메를링 오너스에 의하여 고체 헬륨에서 관찰되었다. 그는 이를 헬륨의 액화를 통하여 발견하였다. 카메를링 오너스는 액체 헬륨을 둘러싸고 있는 증기의 압력을 줄임으로써 1k의 온도에 접근하였다. 오늘날에는 더 정교한 방법에 의해 훨씬 더 낮은 온도가 달성된다.

 초전도체에서 비저항은 임계온도 Tc(혹은 전이온도)에서 급격하게 0으로 떨어진다. 비저항이 단지 매우 낮은 것이 아니라 정말로 0이 된다는 사실이 중요하다. 1956~1958년 사잉에 콜린스가 이끄는 영국의 물리학자 그룹은 초전도 링에 전류를 주고 외부 전원 없이도 전류가 흐르도록 만들었다. 이 전류는 대략 2년 반동안 그들이 관찰을 그만 둘 때까지 전류의 손실이 없이 지속되었다. 그들의 측정기기의 불확정성을 감안한 추정에서, 약간의 전류가 적어도 1억 년 후 까지 남아있을 것이라고 계산되었다. 즉, '초(super)' 전도체라는 이름은 매우 적합한 것이다. 대조적으로, 구리로 만든 비슷한 루프에서는 전류가 수 초 내에 사라질 것인데, 이는 구리가 매우 우수한 도체로 간주되고 있지만 매우 낮은 온도에서도 아주 약간의 저항을 가지고 있기 때문이다.

 초전도성과 관련된 중요한 서지거 현상은 1933년에 마이스너와 R.옥센펠트에 의해 발견된 마이스너 효과(Meissner effect)이다. 간단히 말하자면, 마이스너 효과는 초전도체 내에서 자속의 완전한 사라짐이라고 할 수 있다. 이를 위해 초전도체 내에 차폐 전류(screening current)라고 하는 전류의 생성이 필수적이다. 자속을 상쇄시키기 위하여 어느 정도 충분한 전류가 필요하게 된다. 따라서 초전도체를 자기 감수율 χ = -1 을 갖는 완전한 반자성체로도 볼 수 있다. 초전도체 내에 유도된 전류가 입방체 자석의 자기장에 반대 방향으로 충분한 자기장을 생성하여 자석의 자기장과 반대 방향으로 자기장을 형성하여 공중에 뜰 수 있다. 자석의 평형 위치에서 중력과 초전도체에 의한 자기력은 서로 균형을 유지한다. 

 그러나 마이스너 효과는 오직 특정 지점에서만 작동한다. 자기장의 특정 값(임계 장 Bc라고 함)을 초과하는 경우, 자속은 물질에 침투하며, 초전도성은 자기장이 Bc이하로 줄어들 때까지 사라지게 된다. 자속이 물질에 침투하면 0의 비저항 속성 또한 잃어버리며, 이는 0의 비저항과 마이스너 효과는 초전도체에서 함께 얻어진다는 것을 보여준다.

 임계 장은 서로 다른 초전도체마다 다르다. 몇 가지 예외가 있지만 높은 전이 온도를 가진 초전도체는 더 큰 임계 장을 갖는 경향이 있다. 임계 장은 온도에 따라 달라지는데 Tc 바로 아래의 임계 장은 낮다. 다시 말해서, 초전도성을 제거하기 위해서 아주 작은 자기장만을 필요로 한다. 종종 실험실에서 더 큰 자기장을 마주치기 때문에, 순수한 금속의 Bc가 심지어 절대 영도에서 겨우 0.1테슬라 정도라는 것은 매우 중요하다. 임계 장은 특정 초전도체를 사용하는 방법에 대한 엄격한 제한을 건다. 전류가 흐르는 도선은 선 내부 및 외부에서 모두 자기장을 생성한다. 따라서 만약 저항 없이 전류가 흐르는 초전도 선을 사용하려 한다면, 사용할 수 있는 최대 전류(임계 전류로 알려짐)가 있게 된다. 이러한 효과로 더 큰 임계 장이 발견되기 전까지 초전도체의 응용 범위가 수십 년 동안 크게 제한되었다.

 순수한 금속인 수은, 알루미늄 등은 I종 초전도체로 알려져 있다. II종 초전도체에서는 두 개의 임계 장, 즉 하한 임계 장 Bc1 및 상한 임계장 Bc2가 존재한다. II종 초전도체는 Bc1 이하 및 Bc2 이상의 온도에서, Bc 이하 및 Bc 이상에서의 I 종 초전도체와 유사한 특성을 보인다. 그러나 Bc1과 Bc2 사이(소용돌이 상태라고 알려짐)에서는 자속의 부분적인 침투가 일어나게 된다. 이때에도 0의 비저항의 특성은 일반적으로 유지도니다. 좋은 점은 Bc2가 종종 매우 커서 수백 테슬라 혹은 그 이상이라는 점이다. 나쁜 점은 Bc1 역시 수백 테슬라에 이른다는 점이다. 마이스너 효과 혹은 0의 비저항 특성 중, 어느하나에 따른 초전도 재료의 응용을 고려할 때 이점을 염두에 두어야한다.

 초전도성에 대한 성공적인 이론은 1950년대 중반에 존 바딘, 리온 쿠퍼 및 로버트 슈리퍼에 의해 개발되었고 그들의 첫 글자를 따서 BCS라 불린다. 초전도성의 BCS 이론의 두 가지 주요 특징은 (1) 격자를 통과하여 진행하는 전자가 쌍(쿠퍼 쌍)을 이루고 (2) 이 경우, 전자가 격자 진동과 공명을 이루며 진행하기 때문에 저항이 없다는 것이다. 이 격자의 진동은 포논(phonon)으로 알려져 있는데 이는 마치 전자기 복사에서의 광자와 유사하게 양자화된 에너지를 나타내기 때문이다. 따라서 BCS 이론으로 설명하는 상호 작용은 전자-포논 상호 작용으로 알려져 있다.