초전도체는 왜 특정 온도 이하에서는 저항이 0이 되나요?

Question

초전도체는 온도가 낮아지면서 전기 저항이 사라지는 현상이 나타나는데, 이러한 현상이 전자의 움직임이나 물질의 구조와는 어떤 관련이 있나요?

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

일반적인 금속에서 전자가 흐를 때 저항이 생기는 이유부터 먼저 알면 이해가 쉬워요. 금속 내부의 원자들은 격자 구조를 이루며 제자리에서 진동하고 있는데, 전자가 이동할 때 이 진동하는 원자들과 충돌하면서 에너지를 잃게 돼요. 이 충돌이 바로 전기 저항의 원인이에요. 온도가 높을수록 원자의 진동이 커지니 충돌도 잦아지고 저항도 커지는 거예요.

그런데 특정 물질을 임계온도 이하로 냉각하면 전자들 사이에 아주 특별한 일이 벌어져요. 이걸 설명한 것이 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 물리학자가 만든 BCS 이론이에요. 이 이론의 핵심은 쿠퍼 쌍이라는 개념이에요. 전자 하나가 금속 격자 사이를 지나갈 때 주변의 양이온들을 살짝 끌어당기면서 일시적으로 양전하가 모이는 영역이 생겨요. 이 양전하 밀집 영역이 다른 전자 하나를 끌어들이면서 두 전자가 마치 한 쌍처럼 묶이게 되는데, 이것이 쿠퍼 쌍이에요. 전자는 원래 같은 음전하끼리 밀어내는 성질이 있지만, 격자 진동을 매개로 간접적으로 서로 끌어당기게 되는 셈이에요. :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

보통 금속의 저항은 전자가 움직이다가 원자 진동이나 불순물 같은데 부딪히면서 발생이 됩니다.

초전도 상태가 되면 전자들이 따로 움직이지 않고 특별한 짝을 이루어 훨씬 질서 있게 흐르게 되는 것이 이유입니다. 온도가 아주 낮아지면 원자들이 진동도 줄어들고, 이러한 짝 상태가 유지되기 쉬워지게 됩니다. 결국 그 에너지를 잃지 않고 전류가 흐를 수 있게 되는 것입니다.

요약하면, 초전도는 전자가 그냥 빨라지는 개념이 아닌, 물질 내부에서 전자들의 움직임 방식 자체가 바뀌는 현상이라고 볼 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

초전도체는 온도가 특정 임계온도 이하로 내려가면 전자들이 서로 짝을 이루는 쿠퍼쌍을 형성하면서 격자 진동에 거의 방해받지 않고 집단적으로 움직이게 됩니다 이 상태에서는 전자의 흐름이 끊기지 않는 양자적 질서가 만드어져 저항의 원이이 되는 충돌이사실상 사라지게 됩니다 결국 물질의 결정 구조와 전자 격자 상호작용이 바뀌면서 에너지 손실 없이 전류가 흐르는 특수한 상태가 되는 것입니다