초전도체는 왜 저항이 0이 되고 마이스너 효과가 나타나나요?

Question

재료 수업에서 초전도체를 배웠는데 임계온도 이하에서 저항이 0이 된다고 합니다. 자석이 공중에 뜨는 마이스너 효과도 나타난다고 합니다. 왜 저항이 갑자기 사라지는지 이해되지 않습니다. 쿠퍼쌍이라는 개념이 나왔는데 어렵습니다. 상온 초전도체가 가능한지도 궁금합니다. 고온 초전도체라는 말도 들었습니다. 리니어 모터카에 쓰인다고 합니다. MRI에도 사용되는지 궁금합니다. 액체 질소 온도에서 작동하는지도 궁금합니다. 교수님이 중간고사에 낼 것이라고 하셨습니다. 초전도 현상의 원리와 응용 분야를 알려 주세요

Answer 1

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

초전도체는 임계온도 아래에서 전자들이 쿠퍼쌍이라는 짝을 이루며 움직여 결정 내부의 충돌에 의한 전기저항이 사실상 0이 되는 상태를 말합니다.

마이스너 효과는 초전도체 표면에 전류가 흐르면서 외부 자기장을 밀어낸느 현상으로 ,자석이 떠 있는 자기부상 현상의 기본적인 원리가 됩니다. 일반 초전도체는 매우 낮은 온도가 필요로 하지만, YBCO 같은 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 상태가 되기 때문에 액체질소로도 냉각이 가능합니다.

MRI는 강하고 안정적인 자기장을 만들기 위해 초전도 자석을 사용하고, 현재 임상 장비는 주로 NbTi 초전도체를 액체헬륨으로 냉각시킵니다. 이 밖에도 자기부상열차, 입자가속기, 핵융합 장치, 초고감도 센서 등에서도 강한 자기장을 만들기 위해 초전도 기술들이 활용되곤 합니다.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

초전도체는 임계온도 이하에서 전자들이 쿠퍼쌍을 이루어 격자 충돌 없이 흐르기 때문에 저항이 0이 되고 외부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과가 나타나는 것이랍니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

초전도체는 임계온도 이하에서 전자들이 격자 진동을 매개로 서로 끌어당겨 쿠퍼쌍이라는 하나의 거대한 양자 파동 상태를 형성하는데 이 상태에서는 전자들이 원자 격자나 불순물에 충돌해 에너지를 잃지 않고 마찰 없이 흐르기 때문에 전기저항이 정확히 0이 됩니다. 이와 동시에 외부 자장이 내부를 침투하지 못하도록 표면에 상쇄 전류가 유발되면서 자력선을 완전히 밀어내는 마이스너 효과가 발생해 자석을 공중에 띄울 수 있게 됩니다. 원래 초전도 현상은 극저온에서만 발견되었으나 1980년대 이후 비교적 저렴하고 다루기 쉬운 액체 질소범위에서도 동작하는 산화물계 고온 초전도체가 개발되면서 강력한 전류로 고배율 미세 정밀 영상을 만드는 MRI나 자기부상열차같은 첨단 산업 분야에 성공적으로 실용화되었습니다. 현재 학계와 산업계는 영하 200도에 가까운 냉각장치 없이 일상 온도와 기압에서도 작동하는 꿈의 기술인 상온 상압 초전도체를 구현하기 위해 고압 금속 수소화물 및 특수 결정 구조 연구 등 다각도로 도전하고 있습니다

Answer 4

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

초전도체는 쿠퍼쌍이라는 전자의 짝을 만들어서 마찰 없이 전류를 흘려보냅니다. 왜냐하면은 임계 온도 아래로 내려가면 두 잔자가 격자 진동을 통해서 하나의 쌍을 이루고 또 파동처럼 함께 움직이기 때문이죠. 이때 장애물에 부딪혀서 에너지를 잃지 않고 저항이 완전히 0이 됩니다. 거기다가 외부 자기장을 밖으로 밀어내는 마이스는 효과까지 나타납니다. 그래서 자석 위에 공중 부양할 수 있게 되는 거죠.

이 기술은 MRI나 자기 구상 열차처럼 강한 자기장이 필요한 분야에서 많이 쓰이고 있습니다. 왜냐하면 저항이 0 이라서 큰 전류를 흘러도 열이 안 나죠. 거기다가 강력한 자석을 만들 수도 있기 때문이죠. 특히나 영하 196도의 액체 질소로 식히는 고온 초전도체가 개발되어서 상용화 비용을 크게 낮춰줬기도 합니다. 아직 상온초 전도체는 연구 단계이지만 성공하게 되면 에너지를 손실없이 송전하는 혁명적인 단계가 일어나게 될 것입니다.

Answer 5

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

보통 금속에서는 전자가 격자 진동이나 불순물에 하나씩 부딪히며 에너지를 잃어 저항이 생겨요. 그런데 임계온도 아래로 내려가면 지나가는 전자가 양이온 격자를 살짝 끌어당겨 생긴 변형이 다른 전자를 끌어들이면서 두 전자가 쿠퍼쌍으로 묶여요. 이 쌍들은 모두 같은 양자 상태로 모여 하나처럼 움직이고, 쌍을 깨려면 에너지 간격 이상의 에너지가 필요해서 작은 충돌로는 흐름을 흐트러뜨리지 못해요. 그래서 저항이 0이 돼요.

마이스너 효과는 초전도체가 표면에 전류를 스스로 흘려 내부 자기장을 정확히 상쇄하는 현상이에요. 자기장을 밀어내니 위에 놓인 자석이 반발력으로 떠요.

YBCO 같은 고온 초전도체는 임계온도가 약 92K라서 77K인 액체 질소로 충분히 작동해요. MRI는 니오븀-티타늄 선재를 액체 헬륨(4K)으로 냉각해 강한 자기장을 만들고, 일본의 초전도 자기부상열차도 같은 방식이에요. 상온 초전도는 수소화물이 170만 기압 정도에서 영하 20도 근처까지 올라간 기록은 있지만, 상압에서 확인된 물질은 아직 없어요 :)