안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
작년에 상온 초전도체가 발견했다는 뉴스로 세상을 떠들썩하게 만들었는데, 며칠 전에는 알리바바가 인공지능을 활용해 초전도 물질 5개를 발견했다는 뉴스를 접했습니다. 그 만큼 상온에서의 초전도체의 발견은 과학과 인류의 발전의 획기적인 전환점을 가져올 수 있는데요. 이런 초전도체가 전기 저항이 0이 되는 이유에 대해 설명해 드릴께요.
초전도체가 임계온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 이유는 물질 내 전자들이 거대한 파동으로 뭉치는 극적인 상전이가 일어나기 때문입니다.
일반적인 상태의 전자는 열에 의해 진동하는 원자들과 끊임없이 충돌하며 전기 저항을 만들어냅니다. 하지만 온도가 극도로 낮아지면, 전자가 원자 사이를 지날 때 주변 원자들을 미세하게 끌어당겨 일시적인 양(+)전하 밀집 구역을 형성합니다. 이때 뒤따르던 다른 전자가 이 구역에 이끌리며, 본래 서로 밀어내야 할 두 전자가 쿠퍼 쌍이라는 하나의 짝으로 단단히 묶이게 됩니다.
이렇게 묶인 수많은 쿠퍼 쌍은 더 이상 개별 입자가 아닌, 동일한 상태를 공유하는 하나의 거대한 파동처럼 행동합니다. 이 파동은 원자 격자와 충돌하지 않고 물질 내부를 매끄럽게 통과하기 때문에 저항이 완전히 사라집니다.
이러한 현상이 특정 온도를 기점으로 나타나는 이유는 열에너지와 결합력의 차이 때문입니다. 임계온도 이상에서는 열로 인한 거친 진동 에너지가 강해 쿠퍼 쌍이 맺어지자마자 즉각 파괴됩니다. 그러나 온도가 더 내려가 열에너지가 쿠퍼 쌍의 결합력보다 작아지는 임계온도에 도달하는 순간, 물이 얼음으로 변하듯 전자들이 일제히 파동으로 응축하며 저항이 0으로 떨어지게 되는 것입니다.