초전도체에 대하여

초전도체 관련 주식들이 인기가 많습니다. 초전도체란 무엇이고 어떻게 활용이 될까요?

 

1.초전도체란

초전도체는 초전도성으로 알려진 놀라운 전기적 특성을 나타내는 전기저항이 0인 상태의 물질입니다. 초전도성은 특정 물질이 무저항으로 전기를 전도할 수 있는 상태이며, 이는 에너지의 손실 없이 전류가 그 물질을 통해 흐를 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 독특한 성질은 물질이 특정 임계 온도 이하로 냉각되었을 때 발생합니다.

일반적인 전도체(구리 또는 알루미늄)에서 전기 저항은 전자가 물질의 격자를 통해 이동하여 원자 및 다른 불완전성과 충돌하면서 열의 형태로 에너지 손실로 이어집니다. 그러나 초전도체에서 격자 구조는 전자가 쿠퍼 쌍이라고 불리는 것을 형성하도록 합니다. 이 전자 쌍은 격자 진동(포논)과의 상호 작용으로 인해 결합 상태를 형성하여 마치 하나의 실체인 것처럼 집단적인 행동으로 이어집니다.

초전도체를 정의하는 핵심 특성은 임계 온도(Tc)입니다. 이 임계 온도 아래에서 물질은 초전도 상태로 들어갑니다. 역사적으로 초전도성은 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카머링흐 온네스가 극도로 낮은 온도에서 수은에서 전기 저항이 완전히 사라지는 것을 관찰하면서 처음 발견되었습니다.

2. 마이스너 효과

초전도체의 성질 중 가장 흥미로운 성질은 자석을 부상시키는 능력이다. 초전도체를 일정온도
 이하로 냉각하여 자석을 그 초전도체 위에 놓으면 초전도체와 자석이 서로 반발하여 자석이 공기 중에 떠 있는 것처럼 초전도체 위에 뜬다. 자석과 초전도체 사이의 반발력은 다음과 같은 이유로 발생한다. 자석을 초전도체 쪽으로 움직이면 초전도체 표면에 초전류(supercurrent)가 유발되는데, 자석 이동을 중지한 다음에도 전류는 계속해서 흐른다. 곧이어 초전류로 인해 초전도체에 자기장이 발생하고 이것은 자석으로부터 생기는 자기장을 정확하게 상쇄하게 된다. 그리하여 초전도체 벌크 내부에서 알짜 자기장은 0이 되는데, 이 현상을 마이스너 효과라고 한다. 반면 초전도체 외부에서는 자석과 초전류 때문에 생기는 자기장들은 동일한 두 막대자석의 극이 마주치는 것처럼 서로 반발한다. 따라서 초전도체 위의 자석은 아래 방향의 중력과 함께 위 방향의 자력을 받아 두 힘이 동일한 점에서 떠 있게 된다.

[네이버 지식백과] 초전도체 [superconductor] (화학백과)

 

3. 초전도체의 유형

초전도체는 크게 두 가지 유형으로 분류됩니다:

1) Type I 초전도체

이 물질들은 임계온도 이하에서 급격하고 급격한 초전도 상태로의 전이를 보여줍니다. 단일 임계온도를 특징으로 하며 Tc 이하의 자기장을 완전히 방출할 수 있습니다(마이스너 효과). 그러나 Type I 초전도체는 견딜 수 있는 자기장에 한계가 있습니다.

2) Type II 초전도체

이 물질들은 초전도 상태로 더 점진적인 전환을 가지며 일부 영역은 초전도 상태인 반면 다른 영역은 정상 상태인 혼합 상태로 존재할 수 있습니다. 이 타입의 초전도체는 더 높은 자기장을 견딜 수 있고 다양한 기술에 실용적으로 적용될 수 있습니다.

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4. 초전도체의 응용분야

초전도체는 다음을 포함한 광범위한 분야에서 중요한 실용적 응용 분야를 가지고 있습니다:

1) 자기공명영상(MRI) 기계

초전도 자석은 강한 자기장과 효율 때문에 고필드 MRI 스캐너에 사용됩니다.

2) 전력 전송

초전도 전력 케이블은 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 전력 분배의 효율성이 향상됩니다.

3) 자기 부상 열차(자기 부상 열차)

초전도체는 열차의 마찰 없는 부상을 가능하게 하여 에너지 소비를 줄이고 속도를 높입니다.

4) 입자 가속기

초전도 자석은 고에너지 물리학 실험에서 입자 빔을 조종하고 집중시키는 데 사용됩니다.

5) 양자 컴퓨팅

큐비트를 효율적으로 운반할 수 있는 능력 때문에 특정 유형의 초전도체가 양자 컴퓨팅에서 가능성을 탐색하고 있습니다.

이러한 유망한 응용에도 불구하고, 초전도체의 주요 과제는 초전도 상태에서 작동하는 데 필요한 극도로 낮은 온도를 달성하고 유지하는 것입니다. 연구자들은 더 높은 온도에서 초전도를 달성할 수 있고 일상적인 사용으로 더 실용적이고 접근할 수 있는 재료를 개발하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다.

 

5. 국내연구진의 개발소식

결국 낮은온도에서만 가능한데 국내연구진이 상온에서 가능한 초전도체를 개발했다고 해서 화제입니다만 과연 진실일지 아닐지는 좀 더 두고봐야 할 것 같습니다.

 

국내연구진의 개발소식이 사실이었으면 좋겠습니다 ^^