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1. 개요
超傳導體 / superconductor전기 저항이 [math(\rm0\,\Omega)]이 되는 초전도 현상과 외부 자기장에 반자성을 띄는 마이스너 효과가 있는 물질을 의미한다.[1]
전기저항이 0이라는 것은, 초전도체로 만든 회로는 전기를 흘려도 전혀 저항이 없기 때문에, 열이 발생하지 않으며 에너지 손실이 없다는 것을 의미한다.
이러한 현상이 나타나는 원인에 대해서는 몇가지 가설이 있지만 아직도 명확하게 이론적으로 설명이 안되고 있다.
2. 역사
APS Physics에서 정리한 초전도체의 역사임계온도(저온-고온), 전이과정(1종-2종)에 따른 분류는 다소 혼재되므로, 기반물질에 따라 목차를 서술했다.
2.1. 현상의 발견
- 저온공학 기반 초전도 현상의 발견
- 이전의 과학자들은 극저온에서 전자들의 거동에 대해 의견이 분분했다. 세 의견으로 나뉘었는데, 다른 온도 대역처럼 어느 정도 저항이 있을 것이라는 의견, 고체를 이루는 격자진동이 완전히 사라져 전기저항이 [math(\rm0\,\Omega)]이 될 것이라는 의견, 그리고 전자들이 얼어붙어 저항이 증가할 것이라는 의견이 있었다. 아예 액화가 안 되는 물질들인건 아닐까? 라는 접근으로 영구기체라는 단어도 있었다.
- 1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는 액체 헬륨([math(\rm4.2\,K)])[2]을 만드는데 성공했다.[3][4] 이에 오너스는 저온에서의 전자 거동을 측정하기 시작했다.
- 1911년 4월 8일, 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중 [math(\rm4.19\,K)] 에서 수은[5]의 전기저항이 극도로 낮아지는 현상을 발견했다. 굉장히 낮은 저항이어서 일반적인 4단자 측정법으로는 측정이 어려웠기에, 폐회로를 만들어 기전력이 없어도 전류가 계속 존재하게 하며 자기장의 변화를 측정했다. 측정결과 저항을 '[math(\rm0\,\Omega)]으로 여겨도 될 정도'임이 밝혀졌다. 이후 수은 외에도 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
- 마이스너 효과의 발견
- 1933년, 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너(Fritz Walther Meißner), 로버트 오쉔펠트(Robert Ochsenfeld)가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못 하는 현상을 실험적으로 발견했다.
2.2. 상용화 단계
2.2.1. 나이오븀 기반
- 실험적 물질 제조 - 나이오븀 기반 저온 초전도체
- 1962년, 테드 깁스 베를린코트(Ted Gibbs Berlincourt) 미국 로크웰 국제과학센터 연구팀이 [math(\rm9.7\,K)](약 [math(\rm-263\,\degree\!C)])에서 초전도성을 갖는 [math(\rm NbTi)](나이오븀-티타늄)를 발견했다. 논문[7]
- 이론적 설명 시도 - 양자역학 기반 BCS 이론 / GL 이론
- 1950년, 러시아의 물리학자 비탈리 긴즈부르크(Vitaly Ginzburg)와 레프 란다우(Lev Landau)가 "긴즈부르크-란다우 이론"을 세웠다.[8] 1957년, 러시아의 물리학자 알렉세이 아브리코소프(Alexey Abrikosov)는 이 이론에 따라 초전도체가 1종/2종 두 종류로 구분됨을 보였다. 1959년, 러시아의 물리학자 레프 고리코프(Lev Gorkov)는 이 이론이 BCS이론의 미시적 유효 이론임을 밝혔다. 1988년, 이탈리아의 물리학자 조르조 파리시(Giorgio Parisi)가 저서 '통계학론(Statistical Field Theory)' 5장에 이 이론을 다루며 널리 알려졌다. 2003년, 이 중 긴즈버그와 아브리코스포가 이 공로로 노벨물리학상을 수상했다.
2.2.2. 구리 기반
- 1987년 3월, 미국 휴스턴 대학교 폴 추(Paul Ching Wu Chu) 교수팀이 이트륨에 기반한 YBCO를 선보였다. [math(\rm93\,K)][13]에서도 초전도성을 유지했다. 이는 물보다 저렴한 액체질소를 통해 쉽게 실현가능해 상용화의 큰 기대를 모았다. 논문 이 발견으로 노벨물리학상의 후보로까지 거론되었으나 몇 가지 이유로 제외됐다. 첫째, 논문에서 [math(\rm Y)](이트륨)을 [math(\rm Yb)](이터븀)으로 잘못 표기해 버린 것. YBCO의 제법 자체가 그리 어렵지 않아서 최초 논문이 무효화되면 타 논문이 많아져버리기 때문. 둘째, 성과발표장에 여러 대형 언론사를 불러 언론 플레이를 한 것이 도덕성 문제로 제기된 것.
- 1988년 1월, 일본 금속재료기술연구소 츠쿠바연구실의 히로시 마에다(Hiroshi Maeda) 연구팀이 비스무트에 기반한 BSCCO를 선보였다. [math(\rm108\,K)][14]에서도 초전도성을 유지했다. 논문
- 1988년 3월, 미국 아칸소 대학교 알렌 허만(Allen Hermann) 교수팀이 탈륨에 기반한 TBCCO를 선보였다. [math(\rm127\,K)][15]에서도 초전도성을 유지했다. 논문
- 1993년 5월, 스위스 취리히 연방 공과대학교 한스 오트(Hans Rudolf Ott) 교수팀이 수은에 기반한 Hg-1223[16]을 선보였다. [math(\rm133\,K)][17]에서도 초전도성을 유지했다.[18] 논문
- 이론적 설명 시도 - 스핀밀도파(SDW, Spin Density Wave) 이론
- 1993년, 울만(Wollman)이 구리 기반 초전도체의 쿠퍼쌍 매개체를 포논이 아닌 스핀밀도파(SDW, Spin Density Wave)로 보았다. 자성물질이 포함되면 SDW가 영향을 받기 때문에 고온초전도체 연구에 있어 자성물질은 기피하게 됐다.
- 1996년, 발마(Varma)가 구리 기반 초전도체의 페르미 표면 성질을 추가로 설명했다.
- 고온초전도체의 상용화
2.3. 비상용화 단계
2.3.1. 수소화물 기반
- 수소화물 기반 고압 초전도체[22][23]
- 2015년 8월, 독일 막스 플랑크 연구소 알렉산더 드로조프(Alexander. P. Drozdov) 연구팀이 황 수소화물(하이드라이드)을 선보였다. 온도 [math(\rm203\,K)][24], 압력 88만 기압[25]에서 초전도성을 보였다. 심지어 BCS이론이 적용된다.[26] 한국어해설
- 2017년 1월, 미국 하버드 대학교 아이작 실베라(Isaac F. Silvera)와 랑가 디아스(Ranga P. Dias)가 수소를 가압해 고체화하면 초전도체임을 밝혔다.[27] 논문
- 2019년 5월, 독일 막스 플랑크 연구소 알렉산더 드로조프(Alexander. P. Drozdov) 연구팀이 란타넘 수소화물을 선보였다.[28] 온도 [math(\rm250\,K)][29], 압력 167만 기압[30]에서 초전도성을 보였다. 한국어해설, 해설블로그
- 2020년 10월, 미국 로체스터 대학교 랑가 디아스(Ranga P. Dias)[31] 교수팀이 탄소질황 수소화물을 가압했다. 온도 [math(\rm288\,K)][32], 압력 260만 기압[33]에서 초전도성을 보였다고 주장했다. 하지만 2022년 9월 27일, 네이처 측이 압력이 너무 높아 분자 구조가 압축되어 쉽게 관찰할 수 없어 화학식이 불명이며, 데이터 분석 방법에 하자가 있고, 재현성이 없다는 이유 등으로 게재 취소했다. #
- 2021년 3월, 미국 로체스터 대학교 랑가 디아스(Ranga P. Dias) 교수팀이 이트륨 수소화물을 선보였다. 온도 [math(\rm262\,K)][34], 압력 179만 기압[35]에서 초전도성을 보였다고 주장했다. 논문 2023년 7월 26일, 네이처 측이 이 논문도 게재 취소했다. #
- 2022년 7월, 미국 로체스터 대학교 랑가 디아스(Ranga P. Dias) 교수팀이 탄소질황 수소화물을 2020년 10월보다 압력을 낮춰서, 온도 [math(\rm191\,K)][36], 압력 89만 기압[37]에서 초전도성을 보였다. 논문
- 2023년 3월, 미국 로체스터 대학교 랑가 디아스(Ranga P. Dias) 교수팀이 루테늄 수소화물을 선보였다. 온도 [math(\rm294\,K)][38], 압력 1만 기압[39]에서 초전도성을 보였다고 주장했다. 논문 뉴욕타임스, 한국어해설 앞서 재현성 논란을 겪은만큼 과학자들은 프로세스를 더 상세히 공유할 것을 요구했으나, 디아스는 'Unearthy Materials'를 창업하고, 독점권과 지식재산권을 주장한다. 2023년 11월 7일, 네이처 측이 이 논문도 게재 취소했다. #
2.3.2. 구리 외 금속 기반
- 구리산화물 외 금속 기반 초전도체
- 2008년 2월, 일본 도쿄공업대학 히데오 호소노(Hideo Hosono) 교수팀이 철[41]과 비소[42]에 기반한 [math(\rm LaOFeAs)]를 선보였다. 최초엔 [math(\rm26\,K)][43]가 임계온도였으나, 구성 변경에 따라 [math(\rm58\,K)][44]에서도 초전도 현상이 있음을 발견했다. 논문
- 2010년 7월, 일본 물질과학연구소 연구원들이 와인파티를 하던 중 어떤 교수가 "초전도체 실험 때 초전도체를 물, 에탄올 대신 사케(청주)나 와인에 한 번 담가 보자"라고 농담을 했다. 이 말은 들은 연구원들이 장난삼아 해봤는데… 정말 술에 담그자 초전도 현상이 생기거나 증가했다. 레드 와인, 화이트 와인, 맥주 순으로 초전도체 전환율이 높았다. 농담이 대발견을 해버린 셈. 정식으로 연구를 진행해, 일본 물질과학연구소 데구치 케이타는 각종 술에 [math({\rm FeTe}_{1-x}{\rm S}_x)] 라는 물질을 담가 [math(\rm70\,\degree\!C)]로 24시간 동안 가열을 했다. 그랬더니 초전도 현상이 생김을 알 수 있었으며 그냥 물과 에탄올로 만든 용액에 가열을 했을 때 보다 더 많은 양의 초전도 상태가 시료 내부에 만들어졌다. 관련논문 관련사이트
- 2011년 3월, 일본 물질과학연구소 연구진들은 이 술에 담그는 연구를 더 진행하여(...) 왜 그런지 이유도 밝혀내었는데, 술의 내부에 존재하는 사과산, 시트르산, 베타 알라닌 등으로 인해 약한 산성의 환경이 생성되는데 이 산성 용액이 [math({\rm FeTe}_{1-x}{\rm S}_x)]에 존재하는 잉여 [math(\rm Fe)] 이온을 제거해 주고, 잉여 [math(\rm Fe)]가 제거된 [math({\rm FeTe}_{1-x}{\rm S}_x)]는 초전도 상태가 더 만들어지기 쉬운 상태가 된 것이다. 관련논문[45]
2.3.3. 탄소 및 그래핀 기반
- 2011년 7월, 미국 UT 오스틴 비스터리처-맥도날드 두 교수는 그래핀 두 층으로 적층하고 이를 '마법의 각도(Magic-angle)'로 비틀면[47] 초전도 현상이 생긴다는 이론을 발표했다. 무아레 초격자(Moiré superlattice, MSL) 문서 참고. 논문
- 2017년 1월, 영국 케임브리지 대학교 버나르도(A. Di Bernardo) 교수 연구진 역시 유사한 이론을 네이처에 게재했다. 논문
- 2018년 3월, [math(1.7\rm\,K)](약 [math(-272\rm\,\degree\!C)]) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진은 앞서 2011년 이론을 실험적 검증해 네이처에 2편 게재했다. 논문1, 논문2
- 2021년 2월, [math(2.25\rm\,K)](약 [math(-271\rm\,\degree\!C)]) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진과 하버드 김필립 연구진이 거의 비슷한 시기 네이쳐와 사이언스지에 각각 "3겹"의 그래핀을 비틀어 배치하면 초전도 현상이 있음을 보였다. 논문1, 논문2
- 2021년 7월, [math(2\rm\,K)](약 [math(-272\rm\,\degree\!C)]) 이하 - 미국 MIT 에레로 교수 연구진은[48] 3겹 그래핀이 10테슬라까지 자기장을 유지할 수 있음을 보였다.[49] 논문
- 2024년 1월, 스위스 테라퀀텀, 이탈리아 페루자 대학, 스위스 과학기술연구원이 공동으로 고배향성 열분해 흑연(HOPG)을 얇게 쪼갠 표에서 쿠퍼쌍을 관측했다. 논문원문 소개기사
2.3.4. 고분자 기반
2.3.5. 인회석 기반
- 인회석 기반 초전도체
- 1986년 2월, 대한민국 한양대학교 오근호 교수는 인회석(Apatite, 아파타이트, 인산염을 포함한 구조체) 기반 구조에 불순물을 도핑하면 결정구조가 응축해, 초전도체가 될 수 있음을 발표했다. #
- 2004년 9월 9일, 영국 케임브리지 대학교 안드레이 무라시킨(Andrei Mourachkine) 교수도 서적을 내며 인회석 기반 1차원 구조체에서 상온 초전도의 가능성을 보았다고 저술했다. #
- 2015년 11월 30일, 일본 도쿄공업대학 히데오 호소노(Hideo Hosono) 교수도[52] The Journal of Physical Chemistry Letters에 인회석 기반 1차원 구조체에서 상온 초전도의 가능성이 있다고 밝혔다. #
- 2023년 7월 22일, 대한민국의 납이 도핑된 구리 기반 인회석 구조체(LK-99) 발표 관련 후속 논문이 다수 게재, 투고되었다. 자세한 내용은 해당 문서 참고.[53]
- 2023년 12월 28일, 대한민국의 LK-99 연구진 중 김현탁 교수가 LK-99(PCPOO)에 황을 추가한 후속물질 PCPOSOS를 발표했다. 해당 문서 참고.
2.4. 대한민국의 정책
- 1995년부터 기획하여 2007년 완공한 핵융합로 KSTAR은 저온초전도체(나이오븀 기반)를 기반으로 건설했다.
- 2022년 2월, 대한민국 정부는 '고온 초전도 자석' 기술개발에 2022년부터 2026년까지 5년간 464억원을 지원할 계획을 밝혔다. #
- 2023년 11월, 대한민국 정부는 '초전도 양자컴퓨터 개발'에 150억원의 예산을 투자한다. #
- 2023년 12월, 대한민국 과학기술정보통신부는 2024년도 초전도 분야 연구예산을 72억원 배정했다. #
3. 현상
3.1. 초전도
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| 초전도 돔 (Superconducting Dome) |
초전도체는 이름대로 직류 전류저항 [math(\bf0\,\Omega)]이 가장 큰 특성이다.
초전도 돔은 초전도 현상이 생기기 위한 조건을 시각화한다. 온도, 자기장, 전류밀도가 각각의 임계값보다 낮아야 한다.[54] 초전도 돔의 크기가 클수록 좋은(유용한) 초전도체다. 초전도 돔의 외곽일수록 쉽게 초전도 현상이 사라지고, 내부일수록 강한 전류-자기장에도 초전도성을 잘 유지한다.
단, 교류에선 손실이 발생한다. 이는 중요한 문제인데 일반적인 송전시에는 대부분이 교류를 통해 송전하므로[55] 초전도 선재에는 수송전류에 의한 자기자계의 시간적인 변화로 핀중심이 이동하고, 마찰저항으로 열손실인 전력손실이 발생하는 것.
이와 같은 교류손실은 구리와 같은 상전도체의 경우에 비해 1/1000 정도로 작은 양이지만 초전도체는 극저온의 액체질소나 헬륨과 같은 냉매를 사용하기 때문에 작은 양의 손실이라 할지라도 경제성에 큰 영향을 미친다. 그 이유는 열 손실로 인해 기화된 냉매를 다시 냉각하여 액체로 만들기 위해서는 수십배의 에너지가 필요하기 때문이다.
또한 아무리 초전도체라고 해도 도선의 기생 인덕턴스와 도선과 대지 사이의 기생 커패시턴스[56]로 인해 리액턴스가 발생하므로 전체 임피던스[57]가 아예 0 인것은 아니다.
3.2. 마이스너 효과
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| 마이스너 효과로 자석을 공중에 띄운 초전도체[58] |
초전도체는 임계자기장 이하에서 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성한다(반자성).
전기저항이 없지만 마이스너 효과가 없는 경우는 완전 도체, 바일 반금속이라고 한다.
3.3. 자기 선속 고정
자기 선속 고정, 자기 선속 양자화, 양자 고정, 플럭스 피닝(Flux Pinning), 퀀텀 락킹(Quantum Locking) 등으로 부른다.임계자기장이 1개뿐인 1종 초전도체는 자기장이 관통하지 않아 이 현상이 없다. 상부-하부 임계자기장이 있는 2종 초전도체는 그 사이값의 혼합상태에선 자기장이 주어질 경우 초전도체를 자기장이 관통할 수 있다(자기 침투). 이 때 관통하는 자기 선속의 양은 특정 값의 정수배로만 양자화로 가능하다.
하지만 자석에서 거리에 따른 자기장의 선속은 연속적인 값이다. 따라서 자석과 초전도체와의 상대적 거리는 정해진 값으로만 존재해, 3차원적으로 고정된다. 상대적 거리를 가깝게 하거나 멀리 하려면 에너지가 필요하다.[59][60][61]
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| 볼텍스/플럭스 |
초전도체 내부의 양자화된 자기 선속을 볼텍스(vortex), 플럭스(flux)라고 한다. 둘은 완전히 같은 대상의 이름이며 대상의 어떤 면을 중점으로 바라보느냐에 따라 이름이 달라진다. 플럭스는 초전도체를 뚫고 지나가는 양자화된 자기선속 그 자체를 서술하는 이름이고 볼텍스는 선속이 초전도체 내부를 지나갈 수 있게 반자성인 초전도체를 부분적으로 비 초전도체로 만들어주는 쿠퍼쌍들의 회전운동을 서술하는 이름이다.
초전도체에는 두가지 중요한 길이가 있다. 하나는 자기침투깊이(magnetic penetration depth)이고 나머지 하나는 결맞음 길이(coherence length)다. 이 두 길이의 비를 긴즈버그-란다우 계수라고 하고 이 계수의 크기에 따라 1종 초전도체와 2종 초전도체를 구분한다. 2종 초전도체는 이 긴즈버그-란다우 계수가 큰 초전도체이다. 달리 말해 코히런스의 길이보다 침투깊이가 긴 초전도체 이다. 침투 깊이는 초전도체의 자유에너지를 내리는 역할을 하고 코히런스 길이는 자유에너지를 높이는 역할을 한다. 침투 깊이가 길기 때문에 초전도체-비초전도체 경계면에서 낮은 에너지를 가진다. 이를 negative wall energy[62]라고 한다.
이 음의 에너지 때문에 2종 초전도체는 자기장이 있으면 최대한 표면을 많이 만들려고 한다. 최대한 표면이 많아야 초전도체 전체의 자유에너지가 낮아지기 때문이다. 이것이 바로 볼텍스를 만드는 원인이다. 외부 자기장이 있으면 이라고 표현을 했지만 반드시 외부에서 자기장을 가해 주어야 볼텍스가 생기는 것은 아니다. 전류만 흘려주어도 전류에 의한 자기장이 있고 이는 외부자기장과 같이 행동한다. 이 때의 자기장을 self-field 라고 지칭한다.
이 볼텍스는 외부자기장이 일정 크기 이상에서 생기기 시작하여 초전도 현상이 없어지기까지 존재한다. 볼텍스가 생기기 시작하는 외부자기장을 제1임계자기장([math(H_{\rm c_1})]), 초전도 현상이 없어지는 크기를 제2임계자기장([math(H_{\rm c_2})]) 이라고 한다. 제1,2임계 자기장 사이의 상태를 볼텍스 상태(vortex state), 혼합 상태(mixed state), 아브리코소프 상태(Abrikosov state)라고 한다.
이 볼텍스들은 제1임계자기장에서 생기기 시작하여 자기장의 세기가 강해질수록 개수가 많아진다. 그러다 어느정도 개수가 많아지면 이 볼텍스들은 마치 서로 밀어내는 젓가락처럼 결정을 구성하기 시작한다. 이를 볼텍스 결정이라고 한다. 이 볼텍스들은 자기장만 있을때는 가만히 있다. 그리고 초전도체 내부의 여러가지 결함들에 묶여 있고 이를 볼텍스 피닝(vortex pinning)이라고 한다. 초전도체 내부에 전류가 흐르면 자기장과 전기장의 상호작용에 의한 로렌츠 힘이 생겨 움직이려는 힘을 받는다. 볼텍스가 이 로렌츠 힘에 의해 마구 마구 움직이게 되면 직류전류임에도 불구하고 저항이 생긴다. 따라서 이 볼텍스들을 한자리에 묶어두는 볼텍스 피닝이 중요해진다. 이 볼텍스를 묶어주는 피닝센터(pinning center)는 자연적으로도 생기지만 인위적으로 제작하기도 한다. 인위적으로 피닝 센터를 제작하게 되면 볼텍스들이 강하게 묶이게 된다. 볼텍스가 전류, 자기장, 온도에 대해서 어떻게 생기고 움직이는지 시뮬레이션을 한 결과를 올려놓은 그룹이 존재한다. 홈페이지에 들어가 보면 볼텍스의 거동에 대해 이해하기 쉬워진다.
이 볼텍스 상태에서 온도를 올려 [math(T_{\rm c})] 근처로 가게 되면 볼텍스들은 피닝센터에서 슬슬 떨어져 나가기 시작한다. 이것은 마치 고체 내부에 원자들이 온도가 올라감에 따라 확산하는 현상과 같다. 고용체에서 이온의 확산을 간단히 서술하면, 이온의 현재 위치와 이동 가능한 다른 위치에서의 포텐셜은 낮고 그 사이는 높다. 이 높은 포텐셜은 이온이 쉽게 이동하지 못하게 하는 역할을 한다. 하지만 온도가 어느 정도 높아지면 이온은 열에너지를 흡수하여 포텐셜을 넘어 갈 수 있는 확률이 높아진다. 이는 마치 계란판에 구슬을 넣고 가만히 놔두면 옆칸으로 이동하지 못하지만 흔들어주면 옆칸으로 이동할 수 있는 가능성이 높아지는 상황과 완전히 동일하다. 계란판에 들어있는것이 구슬이 아니라 볼텍스라고 생각해보자. 이 때 옆칸으로 이동하려면 큰 에너지가 필요하므로 옆으로 옮겨가기 힘들다. 웬만하면 그 자리에 묶여 있고 움직임이 제한적이다. 하지만 옆칸으로 이동을 전혀 못 하는 것도 아닌데 이는 터널링 효과로 생각해도 상관없고 볼츠만 분포 같은것으로 생각해도 좋다. 어쨋든 볼텍스들은 제자리에 있고 살짝만 움직이므로 이는 마치 볼텍스 고체(vortex solid)로 생각할 수 있고 이 때를 Flux Creep이라고 한다.
계란판 이야기로 다시 돌아가서 만약 계란판을 한쪽으로 기울이고 흔든다면 살짝만 흔들어 줘도 옆칸으로 쉽게 이동할 수 있을 것이다. 이 상황은 볼텍스에도 완전히 동일하게 적용할 수 있다. 위에서 이야기한 로렌츠힘이 존재하면 볼텍스가 느끼는 포텐셜이 한쪽으로 기울어지게 되고 옆 피닝센터로 이동하기에 쉬운 상황이 된다. 이 때 전류는 임계전류보다 굉장히 작아야 한다.([math(J \ll J_{\rm c})]) 그리고 온도가 [math(T_{\rm c})] 근처기 때문에 볼텍스들도 열에너지를 받아 포텐셜을 넘어 옆으로 슬슬 움직일 수 있다. 이 현상을 TAFF(thermally activated(혹은 assisted) flux flow)라고 한다. 열적인 원인으로 볼텍스가 흐른다는 뜻이다. 이 때의 온도에 해당하는 에너지([math(k_{\rm B}T)])가 피닝센터에 볼텍스가 묶여있는 에너지와 같은 셈. 아까 flux creep보다는 쉽게 움직일 수 있으므로 볼텍스 액체(vortex liquid)라고 생각할 수 있다.
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| 볼텍스의 포텐셜 |
4. 분류
4.1. 임계온도
서구권 발 BCS이론과 임계온도에 따라 만들어진 분류다.- 저온 초전도체 (LTS, Low-Temperature Superconductor)
- 임계온도가 BCS이론 이하인 경우로, 주로 나이오븀 기반 초전도체들을 일컫는다.
- 기화점이 [math(\rm4.2\,K)](약 [math(\rm-269\,\degree\!C)])인 액체헬륨으로 냉각해 상용화한다.
- 고온 초전도체 (HTS, High-Temperature Superconductor)
4.2. 임계자기장
동구권 발 GL이론과 임계자기장에 따라 만들어진 분류다.- 제2종 초전도체 (Type 2)
- 긴즈부르크-란다우 계수가 큰 경우로, 대부분의 화합물 초전도체를 일컫는다.
- 상부임계자기장과 하부임계자기장이 존재해, 하부임계자기장 이하에선 마이스너 효과, 그리고 혼합영역, 그 뒤 정상상태로 나뉜다.
- BCS 이론은 1종 초전도체에 잘 맞고, 2종 초전도체에는 잘 맞지 않는다.
제3종 초전도체 (Type 3)- 분류가 엄밀히 존재하지 않는다.[68]
5. 응용
5.1. 상용 제품
- 자기 이용
- MRI - 초전도체의 상업 이용 중 3/4 정도가 집중되어 있다.[69]
- [math(\rm Nb_3Sn)] 75 % [math(\rm NbTi)] 25 % 가 주로 사용되며, 인체 허용 자기장 수준은 이 물질로도 만들어 낼 수 있다. Zeeman effect 때문에 자기장이 셀수록 이미지가 선명하지만 나이오븀 기반 초전도체로도 충분해서 새 물질에 대한 수요가 적다. 또한 현 나이오븀 기반 초전도체가 자기장에 대해 굉장히 등방한 성질을 나타내고 있다. 반면 고온초전도체들은 층상 구조(layered structure)로 비등방성을 크게 나타낸다. 좋은 초전도체는 임계온도만 높아야 하는것이 아니라 임계전류, 임계자기장, 낮은 비등방성, 제작의 용이함 등 굉장히 까다로운 조건을 충족해야 한다. #
- MRI 이용 요금이 비싼 이유는 액체 헬륨 값이 비싸기 때문이다. 세계의 헬륨 생산은 미국에서 사실상 독점하고 있는데, 의료와 화학계에서 중요하기 때문에 비싸도 안 살 수가 없다. 거기다가 헬륨값은 꾸준히 상승중이다.
- 호버보드 - 렉서스에서 결국 이런 것을 내놓고 말았다!! 백 투더 퓨쳐에 나왔던 호버보드가 현실로? 호버보드로 물 위를 지나가는 장면은 정말 뭉클한 느낌마저 들 지경이지만 사실은 전용트랙 위에서만 달릴 수 있으며 액체 질소를 넣어줘야 한다고. 그리고 특수레일 위에서만 달릴 수 있다. 영상은 레일 위와 주변에 얇은 판자를 씌워 가렸다.
- 핵융합, 입자가속기, SQUID(Superconducting QUantum Interference Device)를 이용한 입자 디텍터, Superconducting Super Collider 등 - 구리도선을 철심과 조합해 만드는 직류 자기장이 [math(\rm1.8\,T)]수준이 한계인 것을 감안하면, 이 이상인 경우는 대부분 초전도체다. [70]
- 전기 이용
- 전선
- 한국의 초전도 케이블 기술은 세계 최고 수준이며, 이천변전소에서 시범 운영중이며, 한국전력과 LS 등이 여러 연구를 진행중이다.[71][72]
- 일본에선 오히토역에서 초전도 송전을 통한 열차 운행이 시범적으로 있었다.
- 액화수소를 연료로 사용하는 시스템에서 [math(\rm MgB_2)] 기반 초전도 케이블을 사용하자는 주장이 유럽에서 논의됐다. 이 구상은 긴 전선보다는 작은 규모의 전동기부터 시도하자는 접근으로 발전했다.
- 에너지 저장 체계 - SMES(superconducting magnetic energy storage)라고 불리며, 초전도 코일로 구성된 폐회로에 전류를 계속 흐르게 하여 전자기장의 형태로 에너지를 보관할 수 있는 점을 이용한다. 배터리와 축전기, 두가지 에너지 저장장치의 장점(큰 용량, 빠른 충방전 속도)을 가진다. 현재는 거대한 냉각 장치가 필수적이여서 입자가속기나 핵융합 시설 등 연구실 레벨에서 제한적으로 사용되고 있다. Tixador, Pascal. "Superconducting magnetic energy storage: Status and perspective." In IEEE/CSC & ESAS European superconductivity news forum, vol. 3. 2008.
- 집적 회로 - 발열을 개선하므로 성능을 높일 수 있다. 특히 클럭을 올리는 데 도움이 된다.[73] 양자컴퓨터에는 극저온 초전도 도입이 필수적이다.
- 전기차용 저중량 배터리
전기차가 직빨능력이 좋은데도 서킷에서 힘을 못쓰는 이유가 무거운 배터리때문인데, 작고 가벼운 말통사이즈로 부피가 줄면. 탈부착이 가능하여 화재 위험성도 낫춰지는데다가[74], 차량 중량도 감소해 더 강력한 가속력을 얻을 수 있다. 가정용 세단따위가 슈퍼카를 아작내는 사양이 나온다는 것이다.(다운포스가 강력해질수록 공기저항이 심해지고, 다운포스가 약해지면 차가 이륙해버리므로. 그립이 확보되는 한 최대한의 힘을 얻을 수 있다.)
5.2. 기대
1기압 상온에서 사용 가능하고, 공기와 직사광선에 계속 노출되어도 괜찮고, 크게 무겁지 않고, 부피가 가늘어도 되고, 내구성도 좋고, 임계전류가 높고, 전달이 가능한 전력의 양이 무한대이고, 가격이 저렴하게 낮출 수 있는 등의 특징을 갖춘, 지금은 상상 속의 초전도체가 일상화된 뒤로 펼쳐질 오버 테크놀로지스러운 기술적 특이점과 미래상에 대한 상상 및 기대가 매우 크다.만약에, 초전도체 실물의 개발에 성공한다면 전세계의 전기공학을 비롯한 산업계에서도 거대한 파급효과로 판도가 뒤바뀌면서 수많은 변화가 올 것으로 추정된다. 하지만 현재 상온 초전도체가 상용화되지 않은 시점에서 아래의 내용은 전부 가능할 것으로 추정되는 예상일 뿐이기에 재미로만 볼 것.
- 컴퓨터 분야
- 프로세서의 발열이 매우 줄어들고 전성비[75]가 엄청나게 상승한다. - 냉각 수요가 매우 줄어들어 소음이나 고장도 거의 없어지고 전자기기의 소형화가 가능해지는데다 관리가 편리해지고 수명까지 현재보다 더욱 길어진다. 발열이 줄어드는 만큼 같은 온도로 더 빠른 연산속도를 제공할 수 있게 된다. 스마트폰같이 전성비가 중요한 제품의 경우에도 성능과 배터리 사용시간이 비약적으로 상승할 것이다. 이것이 중요한 이유는 현재 반도체 공정의 미세화에 따른 트랜지스터의 크기가 물리적 한계[76]에 도달하여 근 미래에 무어의 법칙이 깨지게 될 예정이기 때문이다. 최근 50년간 인류는 거의 모든 분야에서 비교가 불가능할정도로 비약적인 발전을 했는데, 이는 모두 PC의 보급에 따른 반도체 시장경제의 엄청난 활성화로[77] 인한 컴퓨팅 능력 향상에 기인한 것이다. 이를 요약하자면 다음과 같다. 컴퓨터 성능향상의 한계로, 인류는 거의 모든 분야의 발전이 정체할 위기에 처해있으며, 상온 초전도체가 이 문제를 해결해줄 가능성이 생긴다.
- 양자컴퓨터의 소형화ㆍ상용화가 용이해진다. - 현재 양자컴퓨터는 극저온을 구현해야만 사용 가능하기 때문에 크기가 매우 크며, 막대한 에너지가 들어간다. 상온 초전도체가 적용된다면 초전도현상을 위한 냉각이 필요없어진다, 하지만 여전히 중첩상태를 유지하기 위해서는 저온 상태를 유지해 외부영향을 최소화할 필요가 있다. 그래도 기술적으로 개발이 용이해지는면이 있고 장비의 크기가 줄어들수 있기에 소형화와 상용화에 큰 이점이 될 수 있다.
- 자기적 이용
- MRI - 촬영비용이 매우 저렴해질 수 있다. 비용 중 상당수가 냉각을 위한 액체헬륨 비용이기 때문이다.
- 로봇과 인공근육 - 작고 강력한 전자석으로 강력한 인공근육을 만들 수 있다. 이는 단순히 로봇산업의 도약을 넘어 군사기술을 포함한 문명 수준을 크게 발전시킬 것이며, 가볍고 강력한 인공 근육은 신체 일부가 마비되거나 결손된 장애인들의 삶을 크게 개선시킬 것이다.
- 전동기와 발전기 - 코일에서의 발열이 없어져 효율이 오름은 물론 기존보다 훨씬 강력한 모터와 발전기를 만들 수 있다.
- 자기부상열차 - 철도 건설 및 열차 부상비용이 매우 저렴해질 수 있다. 2022년 시점에 이미 자기부상열차를 통한 여객은 고속철도보다 저렴하므로, 설치와 유지보수까지 저렴하고 쉬워진다면 비행기 산업이 위축될 수 있다.
- 핵융합 발전의 경제성이 크게 올라 상용화될 수 있다. - 핵융합 발전, 특히 자기장 가둠 방식 핵융합의 상용화를 어렵게 하는 요인 중 하나는 초전도 코일의 냉각 문제다. 초전도 코일에 별도의 냉각이 필요하지 않게 된다면 소형화 역시 용이해질 것이다.
- 플라즈마 - 관련 응용이 쉬워지고, 각종 산업용 기구의 덩치가 줄고 기능이 개설될 수 있다. 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것이다.
- 계전기, EM락 등 전자석을 이용한 각종 장비 - 코일 가동시 전기 저항으로 인한 대기전력이 사라지며, 코일 내에서 전류가 맴돌도록 하여 정전이 되어도 자기력을 유지하게 만들 수 있다. 또한 톤 단위의 힘을 버틸 수 있는 초강력 EM락을 제작하여 강력보안이 필요한 장소에도 사용할 수 있다. 산업 현장에서도 전자석 크레인에 초전도 코일을 적용하면 전력 효율 뿐 아니라 들어올릴 수 있는 무게 또한 크게 증가시킬 수 있다.
- EMP 발생기, 레일건 등 전자기력으로 구동하는 무기류의 크기, 무게, 유지비용을 크게 줄일 수 있다.
- 전류가 무한히 맴도는 상태의 초전도 코일을 영구 자석 대용으로 사용할 수 있다. 네오디뮴 자석보다 강한 자력을 낼 수 있는 것은 물론 코일 제작시 흘려보낸 전류의 양에 따라 자력 또한 다르게 조절 가능하다.
- 전기적 이용
- 전선 - 송전 효율이 극대화된다.[78] 따라서 송배전 전압을 지금처럼 매우 높게 유지하지 않아도 되며, 대용량 직류 송전기술이 비약적이고 진보한 방향으로 성장할 것이다.[79] 비가 오지 않는 사막과 같은곳에 태양광 발전소를 대량 설치하여 다른 대륙으로 손실 없이 보낼수 있게 되어 에너지 혁명이 일어난다.[80] 세계의 전력사용량은 일정하므로 국가별 전력피크, 부족, 심야전기 낭비 문제가 거의 해결되고 [81], 신재생에너지가 풍부한 국가로부터 주요 에너지 소비 국가들이 에너지를 받게 될 것이다. 또한 변전소와 송전탑 갯수가 줄어들어 님비현상으로 인한 반대 시위를 잠재울 수 있다.
- 변압기 및 인덕터 - 이론상으로 코일의 변전효율이 100%가 될 수 있다.[82] 전봇대, 변전소 시설 부지, 인도를 점유하는 변압기 등의 부피가 크게 줄어들어서 도시미관이 향상될 수 있다. 각종 SMPS도 변압기와 인덕터의 손실이 줄어들면서 변환 효율성이 크게 오름은 물론 배선이 가늘어지면서 크기 또한 줄일 수 있게 된다.
- 축전기 - 전극판과 연결 도선의 등가 직렬 저항(ESR)이 없어지게 되어 노이즈를 더 효과적으로 제거하거나, 순간적으로 매우 강한 전류를 출력할 수가 있게 된다.
- 에너지 저장 체계 - 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치 SMES(superconducting magnetic energy storage)를 개량하여 기존 화학식 배터리를 어느정도 대체할 수 있다. 무거운 냉각장비가 필요없어지면 빠른 충방전 속도와 사실상 영구적인 수명[83]이라는 장점을 활용할 여지가 많아진다. 현재 LHC의 에너지 밀도는 11kJ/kg이며,[84] 최신 리튬 배터리는 1000kJ/kg에 달함으로[85] SMES의 에너지 밀도는 아직 현존하는 배터리에 미치지 못한다. 하지만 SMES의 에너지 밀도 한계는 화학적 한계가 아닌 자체 자기장으로 만들어진 로렌츠 힘에 의한 장력을 초전도체가 버틸 수 있는지에 대한 재료공학적 한계로 발생한다.[86] 이는 도선에 탄소나노튜브 등을 첨가해 개선될 수 있다. #
- 전기철도 - 복잡한 변전 시설과 설비를 단순화할 수 있게 되며, 직류 급전방식을 고속철도에도 활용 가능하게 된다. 절연구간 또한 대부분 불필요해질 것이다. 귀전선인 레일에도 초전도체를 사용하면 레일에서 대지로 누출되는 전류로 인한 부식현상을 막을 수 있다.
- 전기자동차 - 모터 코일과 각종 배선의 저항이 없어져 전비가 향상되며, 내연기관차와 비교시 단점으로 지적되던 충전 속도도 비약적으로 끌어올릴 수 있게 된다.
- 회로설계가 비교적 간편해진다. 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분방정식이 선형화되어 쉽게 해결할 수 있어진다.
- 고방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진장치를 제작할 수 있다. 작게는 인명 살상이 가능한 코일건부터 크게는 빅 바빌론 같은 스페이스 건을 만들어 쓸 수도 있다.
- 과전류로 인한 전기화재 사고가 줄어들고, 전자기기의 가동 과정에서 발생하는 저항(=발열)이 줄어들면서 적절한 차폐만 되어있다면 전자기기의 수명도 대폭 길어지게 된다.
- 또한, 가정용이나 산업용 전력시설에서 초전도체를 이용해서 전기를 공급하는 배선과 설비를 개선하여 저항으로 낭비되지 않고 보다 효율적으로 전기를 사용할 수 있는 방향으로 빠르게 변화할 것으로 예상된다. 그리고, 어느 분야든 신기술이 새롭게 개발되면 산업용으로 먼저 사용하여 성능을 검증한 뒤에 점차 가정용 및 상업용으로 상용화되어 신기술이 적용된다. 그래서, 초전도체를 사용하여 전력의 효율성이 극대화가 되는 설비로 바꾸면 전기세가 비약적으로 줄어들 가능성도 높다.
5.3. 창작물
위 기대를 기반으로 만들어진 대중매체/창작물들은 하위문서에 서술한다.
그저 초전도체를 전기제품에 적용하면 성능이 획기적으로 좋아질 거라고 기대를 하는 사람들이 상당히 많다. 하지만 전기제품이 제대로 작동하기 위해서는 오히려 저항이 필요한 경우가 대다수이다. 간단한 예를 들면 전기장판, 헤어드라이기, 전구같은 전열기구 등이 있다. CPU나 GPU 같은 반도체에 적용해도 마찬가지로 제대로 작동하지 않는다. 물론 초전도다이오드 따위가 만들어진다면 모를까. 초전도체와 초전도반도체는 이름이 비슷하게 어찌하면 만들 수 있지 않을까 하는 생각이 들기도 하지만 둘은 도체와 초전도체의 간극보다도 아득히 먼 간극이 있다. 당장에 컴퓨터 기판에 붙어있는 저항을 몽땅 떼어버리고 그 자리를 구리선으로 연결하면 어떤 일이 벌어질지 상상해보자.
6. 여담
- 금, 은에서는 초전도 현상이 나타나지 않는다.
6.1. 기타 유관 연구
2019년 2월, 미국 해군에서 상온 초전도체라는 제목의 특허를 제출했다(?!). 상온 초전도체는 아니고, 절연체 코어에 펄스전류를 감아 흘려 내부에 자기장을 만드는 일종의 레일건 특허일 뿐이었다. 특허, 소개기사2022년 4월, 네덜란드 델프트 공과대학교에서 마자르 알리(Mazhar Ali) 교수 연구팀이 자기장 없이 전자가 한 방향으로 흐르는 초전도체를 구현했다. 이로서 초전도체 컴퓨팅 시대를 열 실마리를 열었다는 평이 생겼다. #
2023년 8월, 미국 일리노이 대학교/어배너-섐페인 캠퍼스의 피터 아버몬트(Peter Abbamonte) 교수 연구팀이 Pines' Demon(이하, '악마 입자')을 관측했다고 발표했다. 악마 입자는 준입자의 일종으로 1956년에 이론적으로 예측되었고, 피터 아버몬트 연구팀에 참여한 교토대학의 마에노 요시테루(前野 悦輝) 연구팀이 1994년에 처음으로 [math(\rm Sr_2RuO_4)](디스트론튬-루테늄 산화물)에서 초전도성을 발견한 이래로 연구를 진행하다가 30년 만에 마에노 휘하의 연구팀이 해당 산화물에서 관측하는 데 성공하면서 2023년 8월 9일 네이처에 기사가 실렸다. # 악마 입자는 초전도 현상의 원인을 이해할 수 있는 실마리로 여겨지는 입자이며, 상온·상압 초전도체를 개발하는 데에 중요한 참고가 될 것으로 보이는만큼 노벨상감 발견이라는 평가도 있다.
MIT 연구팀은 고온 초전도체인 셀렌화철(FeSe)에서 새로운 메커니즘을 발견했다. 기존의 철 기반 초전도체에서는 원자들이 자기 스핀을 한 방향으로 정렬하면서 초전도 상태로 전이되는데, 셀렌화철에서는 전자의 궤도 에너지가 집단적으로 이동하는 새로운 방식으로 초전도체 전이가 일어난다고 한다. 이 발견은 기존의 초전도성 이론을 재정립하고 새로운 초전도체를 개발할 수 있는 가능성을 열어준다. MIT 뉴스
국제 연구진이 UTe2라는 비정상 초전도체에서 고자기장 하에서 독특한 초전도성을 발견했다.
UTe2가 1.6 켈빈에서 73 테슬라의 자력 하에서도 초전도성을 유지한다는 내용. 이는 기존의 초전도체보다 훨씬 높은 자력에서 초전도성을 유지하는 기록을 세웠다는 의미.
2024년 10월, 연세대학교 김근식 교수 연구팀이 세계 최초로 고체 물질 속에서 전자가 액체의 특징과 고체의 특징을 모두 가지고 있는 '전자결정' 조각을 발견했다고 발표되었다.#
[1] 초전도 현상만 있고, 마이스너 효과가 없는 경우는 '완전 도체', '바일 반금속'이라 부른다.[2] [math(0{\rm\,K} = -273.15{\rm\,\degree\!C})], [math(273.15{\rm\,K} = 0{\rm\,\degree\!C})][3] Steven H Strogatz,'Sync:the emerging science of spontaneous order', Hyperion books, 2004.[4] 그 당시, 그리고 오너스 사후에도 수십년간 이 정도의 극저온을 만들수 있는 실험실은 오너스가 재직하던 레이던 대학교밖에 없었다.[5] 수은을 선택한 이유는 상온에서 액체상태이므로 다른 물질에 비해 높은 순도를 얻기 쉬웠기 때문.[6] 극한의 자기장이 걸리는 특정 부위에 사용하곤 한다. 자기장이 투사됐을 때 흘릴 수 있는 전류가 높다는 장점이 있지만, 깨지기 쉬워서 가공이 어렵다. 한국형 토카막인 KSTAR의 TF코일이 이 힘든 가공을 해 사용했다. 공밀레의 대표사례로 추가해도 될 듯? 튜브 안에 나이오븀과 주석을 파우더 형태로 넣고 튜브를 원하는 모양으로 만든 뒤 열처리를 해 만들었다. 근데 NbTi에 비해서 어렵다는 것이지, 다른 초전도체가 나이오븀 계열 초전도체를 이길 수는 없다.[7] 금속재료면서 인발이 가능하다는 장점이 있다.[8] 이 역시 연구자 이름의 앞글자를 따서 "GL 이론"이라고도 한다.[9] 당연하지만 세계적으로 저온초전도체 선재 생산업체는 몇 없다. 일본의 Hitachi, Jastech, Furukawa, 유럽의 Bruker-EAS, 미국의 OST, Luvata, 중국의 WST, 한국에서는 KAT 정도.[10] BCS이론이 초전도성의 한계온도로 추측한 30K 이상을 의미한다. 여전히 실온보다 낮다. GL이론에 따라서는 존재가 예측되었다.[11] 2022년 6월, 고등과학원(KIAS)의 소개 기사 #1, #2[12] 약 [math(\rm-238\,\degree\!C)][13] 약 [math(\rm-180\,\degree\!C)][14] 약 [math(\rm-165\,\degree\!C)][15] 약 [math(\rm-146\,\degree\!C)][16] 정확히는 [math({\rm HgBa}_2{\rm Ca}_{m-1}{\rm Cu}_m{\rm O}_{2m+2+\delta} ({\rm Hg:Ba:Ca:Cu} = 1:2:m-1:m)\text{ with }m=1,\,2,\,3)])[17] 약 [math(\rm-140\,\degree\!C)][18] 15만 기압 이상의 고압에서 연구하자 [math(\rm164\,K)](약 [math(\rm-109\,\degree\!C)])까지도 달성됐다.[19] 2015년 12월 기준 수백 m 이상의 2세대 초전도체 생산업체는 세계적으로 3군데다. 자기장 하에서 임계전류의 감소비율, 기계적 강도, 특성균일도 등 여러 성질에서 각 업체 간에 장단점이 있다. 국내 업체는 GdBCO기반의 2세대 선재를 제작하며, [math(\rm12\,mm)]의 선재를 만든 뒤 3개로 잘라서 [math(\rm4\,mm)] 폭으로 판매한다. 선의 전체 두께는 대략 [math(\rm0.1\,mm)]이나 실제로 발려 있는 초전도물질의 두께는 [math(\rm1\,\textμm)] 이하이다. 판형 선재이므로 보빈이라 불리는 틀에 권선기라는 장비로 감아서 사용한다.[20] 여러 기준 중 [math(\rm4\,mm)] 폭, 외부입사자장 없고 액체질소에서 통전가능 전류 스펙이 좋은 걸 기준으로 놓으면 국내 기업이 생산하는 선재가 가장 높다. 이런 초전도체의 통전 가능 전류 스펙이 얼마나 높냐면 폭 [math(\rm4\,mm)] 두께 [math(\rm0.2\,mm)] 수준의 얇은 테이프에 [math(\rm240\,A)]를 흘려도 발열 하나 없는(!) 수준이다. 참고로 가정용 콘센트에 정격으로 흘릴 수 있는 전류는 [math(\rm7\sim10\,A)] 수준에 불과하다. 가정용 콘센트에 저런 전류를 들이부었다간 순식간에 절연재에 불이 붙고 전선이 하얗게 빛나다 녹아내리는 모습을 볼 수 있을 것이다.[21] 여담으로 이런 샘플로 특정 조건의 실험을 하려면, 그에 상응하는 전류 공급원이 있어야 하는데 대학 랩에는 대개 그런 전류원이 없다. 임계전류밀도 측정 같은 경우 폭을 줄여서 해결할 수 있다. 폭을 줄일 수 없다면 회사에 "우리 측 실험실 사정이 안 좋으니 임계전류 낮은 샘플이 있냐?"고 문의해야 한다.[22] 2021년 1월, 고등과학원(KIAS)의 소개 기사 #. 2023년 4월, 안될과학의 소개 유튜브 #[23] 수소 기반 고압 초전도체들은 기존 BCS, SDW 이론으로도 설명이 어렵자, CDW(Charge Density Wave, 전하밀도파)로 설명하려는 시도가 증가했다. CDW 이론 자체는 1930년대부터 있던 이론이다. 영문위키(CDW)[24] 약 [math(\rm-70\,\degree\!C)][25] [math(90\rm\,GPa)][26] BCS이론 상한선이 [math(\rm40\,K)]이라고 하면서 왜 이건 [math(\rm203\,K)]이냐 반문 할 수 있다. BCS이론에서 쿠퍼쌍의 매개체는 포논이다. 이 포논이라는 것이 고체를 이루는 이온들의 진동이다. 따라서 쿠퍼쌍을 묶어주는 힘은 이 이온들의 진동수가 크게 관련되어 있다. 이 물질에서 수소가 굉장히 가볍기 때문에 아주 강한 인력을 만들어 낼 수 있게 되는 것이다. 수소처럼 가벼운 물질로 이루어진 초전도체에서 임계온도가 높을 것이라는 것은 이론적으로 예측되어 있었으나 실험으로 첫 관찰한 것이다. 해설기사[27] 온도는 절대영도에 가까운 [math(\rm4.4\,K)](약 [math(\rm-268\,\degree\!C)])에, 압력은 480만 기압([math(495\rm\,GPa)])이나 필요해, 상업적으론 의미 없고 과학적으로만 의미 있는 연구다.[28] 란타넘 기반 초전도체는 "무거운 페르미온 초전도체(heavy-fermion SC)"라고도 한다.[29] 약 [math(\rm-23\,\degree\!C)][30] [math(170\rm\,GPa)][31] 하버드 대학교에서 이직.[32] 약 [math(\rm15\,\degree\!C)][33] [math(268\rm\,GPa)][34] 약 [math(\rm-11\,\degree\!C)][35] [math(182\rm\,GPa)][36] 약 [math(\rm-82\,\degree\!C)][37] [math(91\rm\,GPa)][38] 약 [math(\rm21\,\degree\!C)][39] [math(10\rm\,kbar)][40] 약 [math(\rm-234\,\degree\!C)][41] SDW 이론으로는 철 기반 초전도체를 설명할 수 없다. 이에 오비탈 정렬 모델(orbital ordering; OO)로 설명을 시도하는 그룹도 있다.[42] 닉타이드 계열로 대체 가능.[43] 약 [math(\rm-247\,\degree\!C)][44] 약 [math(\rm-215\,\degree\!C)][45] 사실 논문이 없으면 믿기 어려운 이야기다. 왜냐하면 실제 초전도 실험에서 초전도체를 물이나 에탄올에 넣지 않는다. 초전도 현상은 저온에서 나타나는 현상이므로 물이나 에탄올은 저온으로 만드는데 아무 도움이 안된다. 직접 열전달 형식으로 냉각 시킬때(ex.) closed cycle refrigerator)는 진공에서 실험을 하며 가스 형식으로 냉각 할 때(ex.) physical property measurement system(PPMS))도 진공을 우선 만든다. 아니면 고온 초전도체를 실험 할 때는 직접 액체 질소에 담그어서(!) 실험한다. 일본의 고자기장 연구소인 ISSP(Institute of Solid State Physics)에서는 샘플 자체를 액체 핼륨에 담그고 실험한다. 프로브 자체가 투명한 유리어서 액체헬륨을 눈으로 직접 볼 수 있다. 그런데 실험에서 물이나 에탄올 대신 사케나 와인에 담궜다는 말은 측정 실험에서는 도저히 말이 안 되는 이야기이고, 제작 과정에서도 알코올에 넣는 과정이 있는 것 역시 에칭 과정 등에서 세척에 사용하지 않는 이상 이상한 이야기이긴 하다. 이러한 실험에 이용되는 화합물은 대부분 산소나 수분이 불순물로 작용하기 때문에 이를 배제하고자 샘플의 보관도 진공챔버(데시케이터)에 보관하므로 물에 담근 적 있다는 이야기가가 믿기 어려운 이야기다. 하지만 관련 참고문헌이 있으므로 어느 정도 신빙성 있는 이야기가 된다. 실험 방법에 대한 서술이 유용하다고 생각하여 주석으로 남겨둔다.[46] 2020년 2월, 고등과학원(KIAS)의 소개 기사 #. 2022년 9월, 안될과학의 소개 유튜브 #[47] 표면에 미결합손(dangling bond)이 없어 판 데르 발스 계면의 형성이 가능한 2차원 소재에서만 가능하다. 표면의 미결합손에 다른 물질이 1차 결합을 형성하는 통상적인 에피택셜 적층 구조로는 구현이 불가능하다.[48] 이후 한국계 박정민이 1저자[49] MRI가 1~3테슬라에 불과한 것에 비해 고자기장. 하지만 액체헬륨의 [math(\rm4.2\,K)](약 [math(\rm-269\,\degree\!C)])보다 낮은 온도여서 아직 상업적으론 무의미.[50] 2021년 12월 제출했으나 이후 제목 및 내용 변경 제출당시[51] BCO 기반 고온초전도체가 세라믹게열이라 '휘기 좋은' 양산성을 고민해, 고분자(플라스틱)에 세라믹을 박막증착하는 방식이 연구되었다. 하지만 고분자 기반 연구팀들은 소련의 붕괴와 함께 모두 해체되었다. 1991년부터 이를 아쉬워 한 대한민국의 최동식 고려대학교 교수가 2005년까지 후속 연구를 진행했으나 뚜렷한 성과를 보지 못 했다.[52] 앞서 2008년 철-비소 기반 고온 초전도체를 만든 교수.[53] 해당 문서를 요약하자면, 권영완 교수가 타 연구자들의 동의 없이 "세계 최초의 상온 상압 초전도체"라는 제목의 논문 원고를 투고해 세계적으로 커다란 화제가 일어났다. '이론적'으로는 해당 구조체 내에 초전도 구조가 생길 가능성에 긍정-부정적 반응이 공존하며, '실험적'으로는 재현이 잘 되지 않으며, '공식샘플 검증팀'은 침묵한다.[54] 물론 여기에 도핑레벨이나 압력 등 양자 페이즈 변이에 해당하는 파라미터들도 있다.[55] 이는 교류 송전이 기술적으로도 경제성으로도 매우 유리하기 때문. 발전소는 일반적으로 혐오 시설로 분류되어 도심지로부터 멀리 떨어진 경우가 대부분인데, 전기 저항은 길이에 비례하므로 거리가 멀면 멀수록 저항으로 인한 전압 강하로 전력 손실이 매우 커진다. 따라서 발전소에서는 매우 높은 전압으로 변압하여 보내는데 이때 교류 변압이 매우 효과적이다. 초전도체로 송전 선로를 모두 대체한다 하더라도 여전히 변압 측면에서는 교류가 매우 유리하다. 직류 변압 기술도 발달하고 있다지만 그럼에도 여전히 한참 못미친다.[56] 보통 초전도 케이블은 금속 관으로 감싸는 경우가 흔하므로 송전탑에 설치된 전선보다 기생 커패시턴스가 크다.[57] 직류 회로 내에서는 저항만이 존재하지만 교류 회로내에서는 저항 말고도 유도장과 전기장이 각각 인덕턴스와 커패시턴스를 유발, 리액턴스가 발생하여 이를 합한 개념인 임피던스로 저항을 측정한다.[58] 초전도체는 수 K의 극저온 상태에 있어야 하기 때문에 보통 초전도체를 액화 질소 같은 극저온 액체에 담가서 시연한다. 즉, 사진에서 밑에 있는 검은 물체가 초전도체이며 자석에 의한 초전도체의 반자성으로 정육면체 자석을 공중에 띄운 사진이다.[59] 예컨대 초전도체와 자석을 꾹 눌러 붙인 후 들어 올리면 아래쪽의 물질도 낚시하듯 함께 이동한다. 현상 이름도 '고기잡이 현상'[60] 고정간격은 물질별로 다르지만, 예컨대 YBCO초전도체와 네오디뮴자석 간엔 약 [math(1\sim2{\rm\,cm})]가량이다.[61] 당연하지만 이 고정을 잘 이용하면 자석-초전도체-자석-초전도체... 식의 고정도 가능하다.[62] '음의 벽 에너지'(?). Introduction to superconductivity 2nd Ed. Michael Tinkham[63] 출처: 'Flux dynamics in high-temperature superconductors', M. Nikolo, Supercond. Sci. Technol. 6, 618 (1993).[64] 2010년대 이후 상온+초고압 초전도체들이 연구되나 경제성이 없다.[65] 목성과 토성 등의 거대 가스 행성에서 무지막지한 규모의 행성 자기장이 발생하는 이유가 바로 행성 내부의 초고압 환경에 노출되면서 초전도체로 변한 대량의 금속성 수소 때문이라는 가설이 존재한다.[66] 자기침투길이를 결맞음길이로 나눈 값[67] 수은, 납 등. 그래핀(탄소나노튜브) 기반 초전도체는 제1종에 속하지 않는다.[68] 제1종, 제2종도 따르지 않는 경우를 발견한 연구자들이 본인의 연구를 제3종이라 주장하곤 하나 뚜렷한 정의가 없다. 한 예시로 2023년 3월, 이탈리아 페루자 대학교 크리스티나 디아만티니(M. Cristina Diamantini) 교수팀이 박막상태에서나 주로 논의되던 3종 초전도체를 나이오븀 기반으로 구현했다는 논문을 냈다. #[69] 현미경 버젼이라고 할 수 있는 NMR spectrometer 에도 초전도체를 사용한다. 사실 MRI 자체가 nuclear Magnetic Resonance Imaging 이다.[70] 다만, 비터 마그넷이라고 하여 구리를 냉각수로 냉각하면서 강제로 전류를 때려넣는 방식으로 [math(\rm45\,T)]를 만드는 미친 방법도 가끔 있긴 있다. 그리고 순간적으로 높은 펄스 자기장을 만들면 이야기가 좀 다르다. 구리도선으로 만든 전자석에 순간적으로 대전류를 흘려 수십 [math(\rm T)]를 만들기도 한다. 그리고 원턴 코일이라는것이 있는데 코일은 코일인데 한바퀴만 돌아간다. 그리고 이 코일이 견딜 수 없을 만큼 높은 전류를 주면 순간적으로 [math(\rm100\,T)]이상을 만들어내고는 터져버린다. 이 실험을 하는 연구소에 가면 터진 원턴 코일들을 재활용하기 위해 쌓아놓은것을 볼 수 있다. 그리고 역사상 가장 큰 자기장은 러시아에서 만들어 냈는데 코일로 자기장을 만들고 코일 외부에 폭약을 터뜨려 코일이 내부로 찌그러 지면서 [math(\rm1000\,T)] 이상을 만들어 내었다. 펄스 자기장 설비는 기본적으로 돈이 많이 들고 더 첨단기술이므로 국내에는 없다. 높은 자기장을 원하는 연구자들은 가까이는 일본 도쿄, 멀리는 독일 드레스덴이나 미국 플로리다, 로스 알라모스 등지에 가서 실험을 하고 온다.[71] 그럼에도 불구하고 아직 신뢰성 제공의 문제, 설치 장소(예를들어 바다에 묻어달라던가...)의 문제 등으로 초전도 케이블을 제공하는 국내 업체가 아슬아슬하게 몇 번 물을 먹었다 카더라는 얘기가 관련 연구분야 종사자들에게 돌았다.[72] 대한민국의 전력 제공 품질이 중국 같은 도전적인 시도를 하는 국가들에 비해서는 너무 높은지라, 새로운 기기가 들어와서 사소한 문제라도 일으키면 매우 골치아픈 일이 발생하므로, 매우 신중하게 검토하고 있다.[73] 집적도를 줄이는 것은 어렵다. 현재도 양자 터널링 현상 등을 신경써야 할 만큼 회로가 가늘다.[74] 이정도로 배터리가 소형화되면 구형 내연차량도 기름탱크를 빼고 배터리를 거기 넣어 개조하면 그만.[75] 전력 소비량 대비 성능[76] 2023년 기준, 최신 반도체 공정은 3nm에 도달했다. 신기술이 더이상 적용되지 않는이상 양자 터널링 효과로 인해 0.5nm 정도가 물리적인 한계이다. 반도체 공정이 약 4년에 2배씩 정교해지는 추세를 감안하면, 0.5nm 도달까지 20년이 채 남지 않았다.[77] 인류의 모든 예술ㆍ산업분야에서 컴퓨터를 사용하거나 의존하며, 거의 모든 인류 개개인이 컴퓨터를 소유하게 되었다(예: 스마트폰).이로 인해 반도체 시장에는 수요에 따른 천문학적인 금액이 모이게 되고, 이는 모두 반도체 회사간의 경쟁을 위한 개발 투자금으로 활용되어, 공정 미세화와 최적화로 더 빠른 반도체를 만들어낸다. 이는 또다시 인류의 거의 모든 분야를 발전시키며, 더 많은 돈이 모이게 되고, 이 돈이 또다시 반도체를 개발하는데 쓰이는 엄청난 양성 피드백이 일어난다. 이 과정에서 인류는 미친듯이 발전했고, 반도체 시장은 세계에서 가장 큰 돈이 모이는 단일 시장이 되었다. 그 예로, 반도체 시장의 일부에 불과한 DRAM 분야를 휘어잡은 대한민국이, 단숨에 선진국 반열에 들어갈 정도로 돈을 벌 수 있었다.[78] 다만, 직류 송전을 하지 않는 이상, 송전선과 대지 사이의 커패시턴스와 송전선 자체의 인덕턴스로 인한 교류 전력의 일부 손실은 발생할 가능성도 있다.[79] 토머스 에디슨의 직류 송전은 구리선을 이용했기 때문에 발전소로부터 1~2 km 내로만 송전이 가능했으나, 만일 초전도체를 사용했다면 훨씬 더 멀리 보낼 수 있었을 것이다.[80] 전기 생산 이후의 유지비가 줄어들 것이므로 전체적인 전기 요금이 인하될 수 있고, 궁극적으로는 지긋지긋한 전기요금 누진제가 완화/폐지될 가능성도 예상할 수 있다.[81] 혹시나 심야전기라는 단어에서 전기 난방의 가성비 개선을 떠올렸다면 아직은 살짝 곤란하다. 초전도체가 가지는 의미는 전기의 송전 과정에서 발생하는 손실률을 0에 수렴시킬 수 있다는 것이지 전기 보일러와 같은 저항덩어리에서의 효율 개선이 아니기 때문이다. 단지 상온초전도체를 이용한 송전 효율 증가가 전기 요금 인하 로 이어져 통상적인 가스/기름 보일러 대비 가성비가 현격히 좋아진다는 선제 조건이 달성된다면 전기 난방이 득세할 가능성이 있다. 혹은 역으로 가스/기름의 원가가 낮아진다든가.[82] 철심에서의 와전류나 히스테리시스 등 도선 저항 외적인 이유로 인한 미미한 손실은 발생할 수 있다.[83] 이차 전지는 충방전을 반복할수록 비가역적인 화학적 변화가 일어나 결국 수명을 다하며, 슈퍼 커패시터도 수십만 회의 유한한 충방전 수명을 가지지만, 초전도체는 코일이 물리적으로 파괴되지 않는다면 거의 영구적으로 에너지를 저장할 수 있다.[84] 입자가속기에 초전도 에너지 저장장치가 달려있다는 의미가 아니라 초전도코일로 이루어진 입자가속기 자체가 전자기장 형태로 에너지를 저장한다는 의미이다. LHC가 최대 상태로 운영중일때 둘레 27km 초전도 코일엔 약 9GJ(TNT 1.5톤급)의 에너지가 저장된다. #[85] 최신 테슬라 배터리의 에너지 밀도는 300Wh/kg에 거의 육박한다. 이를 환산하면 1080kJ/kg = 1.08MJ/kg이 나온다.[86] 만약 SMES의 용량을 초과한다면 초전도선이 장력을 이기지 못해 저장장치가 사방으로 폭발하듯 흩어지거나, 강력한 자체 자기장에 의해 초전도 성질을 잃어버려 다량의 열에너지가 순식간에 발생한다. 특히 초전도성을 잃어버리는 현상을 Quenching이라 부르며 입자가속기나 MRI를 고장내는 주범이다. 출처