영화 마이너리티 리포트에 나오는 자동차 그리고 아일랜드에 나오는 열차 등은 모두 지면과 차량이 분리된 상태에서 이동한다.

영화 속의 이 장면들은 영화 속 픽션일까? 아니면 실재로 가능한 일일까?

초전도체?

금속에 속하며, 특정 임계온도

에서 전기적 저항이 0이 되는 화합물질이 존재하는데, 이러한 물체를 초전도체 라고 한다.

초전도체의 이러한 특성 때문에 저항이 없어 손실 없이 전력을 공급할 수 있는 케이블과 보다 효율적인 핵융합 토카막의 건설 등 그 응용방향과 가치는 미래의 생활을 획기적으로 변화시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이와 같은 초전도체는 어떤 원리로 전기적 저항이 0이 되며, 왜 특정 임계온도 하에서 이와 같은 특성을 보이는 것일까?

초전도체의 원리 : 마이스너 효과

초전도체의 원리를 설명하기 위해 초전도체의 내부에서 자기장이 방출되는 현상인 마이스너 효과에 대한 이해가 필요하다.

옴의 법칙에 따라 도체의 저항은 R=ΔV/I로 주어진다. 여기서 ΔV는 도체 사이에 걸리는 전위차이며, I는 전도체에 흐르는 전류이다. 전위차 ΔV는 도체 내부의 전기장에 비례하기 때문에 전기장은 도체의 저항에 비례한다. 그러므로 임계 온도에서나 혹은 그 아래에서 초전도체에 대해 R=0이기 때문에 내부에서 전기장은 0이 되어야 한다. 이를 유도에 대한 패러데이 법칙으로 표현하면.

즉, 어떤 폐고리 주위에서 형성되는 전기장에 대한 선적분은 고리를 통과하는 전기선속 의 음 변화율이다. E는 초전도체 내부의 어디에서나 0이기 때문에 초전도체 내부의 어떠한 폐경로에서의 적분도 0이다. 그러므로 이다. 이것은

초전도체 내부에서 자기선속은 변할 수 없다. 는 사실을 말해준다. 따라서

가 초전도체 내부에 일정하게 남아 있어야 한다.

외부 자기장 하에서의 초전도체를 고려해 보자.

임계온도 보다 높은 온도에서 자기력선은 정상 상태에 존재하기 때문에 물체를 관통한다.

하지만, 물체가 임계온도 이하로 냉각되어 초전도체가 될 때, 자기선속은 면 전류의 유도로 인해 내부로부터 벗어난다. 외부에서 가해진 자기장으로 초전도체의 표면에 전류를 형성함으로써 자기장을 방출한다. 따라서 초전도체가 영구자석 위에서 공중부양 하는 현상을 이해 할 수 있다.

초전도체의 응용 : 자기부상열차

초전도체의 가장 일반적이며 잘 알려진 응용분야는 자기부상 열차이다. 자기부상열차는 초전도체와 전자석을 이용하여 열차를 지면 위로 부양하여 열차를 움직임으로써 지면으로의 마찰 없이 효율적으로 열차를 운행할 수 있으며 비단 지면과 열차 바닥의 접촉만이 아닌 측면 혹은 상층부 또한 가능하여 보다 유용한 운행이 가능해 진다.

또 다른 응용분야로는 초전도 토카막 핵융합로와 강력한 입자가속기에 충분한 자기장을 발생기키기 위해 사용된다.

하지만 위의 예에서 사용하고 있는 초전도체는 대체로 액체헬륨을 사용하고 있어 막대한 유지비용을 필요로 한다. 실제 우주공간 그리고 지구상에서 수소와 헬륨이 가장 많은 양을 차지하고 있으나 입자의 속력이 지구 탈출속력을 벗어나기 때문에 대기중엔 많이 존재하지 않는다. 따라서 액체핼륨을 얻기 위해선 많은 비용이 수반되어 유지비가 늘어나게 된다.

보다 높은 온도에서 초전도현상을 보이는 물체를 찾는 것이 시급한 과제이다.

 

노벨상의 지름길

금속에서 초전도체의 성공적인 이론은 세 명의 물리학자 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 가 1957년에 발표한 BCS 이론이다. 세 명의 이름을 딴 이 이론은 1972년 노벨 물리학상을 수상하였다. BCS이론에 의하면 전자 둘이 쿠퍼쌍을 이루면 저항이 사라진다고 기술 하고 있다.

BCS 이론이 노벨상을 수상한 이후 금속에서의 초전도현상을 성공적으로 설명할 수 있게 되면서, 1986년 스위스 IBM 취리히 연구소의 베드노르츠와 뮐러는 바륨, 란타뉴므 구리의 산화물이 30K에서 초전도현상을 보인다는 강한 확증을 발표함으로써 그들은 1987년 노벨 물리학상을 수상하였다.

이후 초전도체에 대한 연구가 활발해 지면서 1987년 초 앨라배마 대학과 휴스턴 대학의 연구팀들은 이트늄, 바륨, 구리의 산화물이 약 92K에서 초전도 현상을 보임을 발표하였다.

그 다음해엔 미국과 일본 연구팀들이 비스무스, 스토론튬, 칼슘, 구리 산화물이105K에서 초전도 현상을 보임을 발표하는 등 최근 고온 초전도 현상이 일어나는 메커니즘에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재까지 고온 초전도 현상에 대해서 넓게 받아들여 지는 이론은 없다. 하지만 이 이론을 발견하거나 상온 초전도체를 발견하게 된다면 노벨상 수상은 확실 할 것이다.