[강의]꿈의 물질 상온 초전도체_김범준 교수(231109)

'상온 초전도체'에 대한 관심이 커지고 관련 주식이 들썩이던 때가 있었다.

초전도체가 오랜 기간 연구되고 있는 대상으로 어느 순간에 혁신적인 결과물이 나오기는 어렵다고 생각하고 있다. 그래서 당시 언론에 많은 기사가 나왔지만 눈여겨보지 않았다. 

김범준 교수의 '꿈의 물질 상온 초전도체'에 대한 강의를 통해

초전도체와 상온 초전도체의 차이를 잘 알 수 있었다. 상온에서 원하는 저항 수준을 달성하는 것이 쉽지 않다. 이번에 관심을 끈 논문에서 임계온도의 저항을 보면 우리가 원하는 초전도체의 저항에 비해 훨씬 큰 것을 볼 수 있다. 결론은 현재의 기술 수준으로는 상온 초전도체를 만들 수 없다. 

강의는 기초 물리학에 대한 내용이지만 강사는 이를 90분 동안 재미있고 쉽게 설명하고 있다.

전반부에서는 물리학에 대한 사실을 설명하고 후반부에서 초전도체에 대한 이야기를 하고 있다. 다음은 강의 내용을 요약해서 포스팅했다. 

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리처드 파인만(출처: PICRYL)

리처드 파인만에게

인류가 멸망할 때 타임캡슐에 넣을 것이라고 물었을 때, '원자론'이라고 했다. 파인만이 말했다.

"우리는 모두 동일한 원자들의 모임이지만, 원자들의 모임만은 아니다."

 

원자론 하나로 여러 가지를 설명하는 물리학

• 분자들의 평균 운동에너지가 크다는 것은 온도가 높다는 의미다.
• 온도를 올리면 물이 수증기가 되는 이유는 분자들이 더 빨리 움직여 거리가 멀어지고, 잡아당기는 힘이 약해지기 때문이다. 분자들이 자유롭게 운동하는 기체가 된다.
• 온도가 낮아지면 분자들이 느려져 주변 분자의 끄는 힘을 더 느껴 액체 부피가 감소한다.
• 더 낮은 온도에서 일정한 거리를 두고 분자들이 규칙적으로 정렬한 것이 얼음이다.
• 예1) 체온계에 들어 있는 알코올이 체온에 따라 팽창 수축하며 붉은색 염료로 움직임을 보여준다.
• 예 2) 뜨거운 커피를 불면 활발한 물분자가 뛰쳐나가며 액체는 온도가 감소한다.
• 예 3) 아침 안개나 이슬은 아침에만 볼 수 있다.
         낮에 기체상태 물분자가 밤이 되면 물분자가 맺혀서 이슬이나 안개가 된다.
• 예 4) 입김은 액체일까 기체일까.
          수증기는 기체이고 눈에 보이지 않는다. 입김은 물알갱이로 액체다.
          추운 겨울에 차가운 온도에서 입김이 작은 물방울로 맺힌 거다.
• 예 5) 지구의 기온이 상승하면 왜 산불이 많아질까?
          나무의 물분자는 주변의 온도가 높아지면 기체로 있고 싶어 한다.
          나무가 가지고 있는 액체가 줄어들기 때문이다.
• 예6) 왜 구름은 아래만 평평할까?
          지면에 가까울수록 온도가 높다.
          수증기가 지면에서 위로 올라갈수록 점점 온도가 낮아지고 특정 위치에서 구름이 생기기 시작한다.

물방울(출처: Wikimedia Commons)

물방울은 왜 둥근가?

우주에는 네 가지 힘이 있다. 강력, 약력, 중력, 전자기력이다. 우리가 주로 접하는 힘은 중력과 전자기력이다. 중력은 아주 약하다.

표면장력도 전자기력이다. 물분자가 거리가 있으면 서로 잡아당기는 힘이 표면장력이다. 깊은 안쪽의 물분자는 에너지가 작다. 물방울의 표면의 물분자는 포텐셜이 크다. 행복하지 않다. 행복하지 않은 물방울이 가장 최소가 되는 모양으로 된다. 면적이 최소한 것은 구이고 물방울이 된다.

큰 물방울은 왜 동그랗지 않나? 큰 물방울은 지구의 중력과 전자기력을 함께 생각해야 한다. 클수록 중력이 중요하다. 바닥에 펴져있으면 안정하기 때문이다.

<종의 기원>의 마지막 문단

"~whilst this planet has gone circling on according to the fixed law of gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and are being evolved."

  단순한 자연법칙으로부터 떠오르는 놀라운 자연의 경이를 볼 수 있다.

 

원자의 모습

수소의 원자핵이 태양의 크기라면, 수소원자가 가진 딱 하나의 전자는 태양에서 명왕성 거리의 10배인 곳에 있는 셈이다.
물리학에서 전자의 크기는 0이다. 수소 원자의 내부가 텅 비어있다.

원자가 비어있는데 왜 상이한 고체로 유지되어 있냐는 의문이 든다. 익숙한 것을 신기하고 낯설고 경이롭게 만드는 것이 과학의 힘이다.

 

입자와 파동

입자라면 두 개의 틈으로 던진 탁구공을 던지면 두 곳에 나온다. 파동이라면 여러 띠가 보인다. 간섭무늬다.  Young's two slit experiment

DVD로 하는 빛의 파동 간섭 실험이 있다. 레이저 포인터로 쏘면 벽에 3개의 점이 생긴다. 빛의 파장과 관련되어 있다. 녹색이 더 폭이 작아 편하다.

기묘한 양자의 세상

전자 하나는 입자이면서 파동처럼 행동한다. 하나씩 던지면 입자처럼 행동한다. 하지만 두 개, 세 개 던지면 간섭무늬가 나타난다. 전자는 하나가 두 개의 틈을 통과한다.

 

물질의 전기적 성질: 도체와 부도체

도체는 자유롭게 움직이는 전자가 많은 물질이고 부도체는 자유전자가 없는 물질이다.

손가락으로 도체 부도체를 판별하는 방법이 있다?
물질에 손을 대면 차값게 느끼는 경우는 금속 종류다. 이불에 손을 대면 따뜻하게 느낀다. 금속 손잡이와 이불의 온도는 실내온도와 동일할 것이다. 자유전자가 손끝에 가지고 있는 에너지를 빠르게 뺏어간다. 체온이 높기에 금속의 자유전자가 뺏어가니까 차갑게 느낀다. 차갑게 느껴지면 도체다. 자유전자는 전류도 열도 잘 전달한다.

원자는 전기적으로 중성이다. 핵과 전자로 되어 있다. 도체도 양자역학만으로 설명할 수 있다. 고전역학으로 설명 불가하다. 전자는 고체의 어디에든 있을 수 있다.

부도체는 에너지 갭이 큰 것이다. 도체는 갭이 없어 마음대로 전자가 다닐 수 있다.

 

초전도체(출처: Wikimedia Commons)

도체와 초전도체의 저항

특정 온도에서 갑자기 저항이 아주 작아지는 현상을 발견했다. He 끓는점은 영하 269도이다.  
Heike Kamerlingh Onnes의 헬륨 액화 성공(1908)
액체 헬륨에 수은을 넣었더니? 영하 268.89도(4.2K)에서 수은의 저항이 갑자기 아주 작아지는 현상을 발견했다.
불순물이 많은 수은에서도 같은 온도에서 저항이 급락했다. 기존이론으로는 설명할 수 없는 현상이다.

초전도체의 발견

초전도는 온도가 임계온도보다 낮을 때, 자기장이 임계 자기장보다 작을 때, 전류밀도가 임계전류밀도보다 작을 때만 유지된다. 초전도전류를 만들어 자기장이 거의 줄어들지 않는 것을 알 수 있다.

물질의 자성은 강자성, 상자성, 반자성이 있다.

상자성은 외부에 자기장이 있을 때 자성을 가진다. 반자성은 외부 자기장의 반대 방향으로 스스로 자기장을 만들어내는 물질이 대표적인 반자성 물질이다.
초전도체의 반자성은 완벽한 반자성이다. 자기장 안에 들어가면 내부로 자기장이 들어오는 것을 완벽히 차단한다. 초전도전류를 만든다. 마이스너 효과로 초전도체는 자석 위에서 공중부양한다.

고온 초전도체

1986년에 고온 초전도체가 발견되었다. 고온이란 실온보다 아주 낮은 온도다. 액체 질소의 끓는 점 77K 수준을 의미한다.
액체질소 1리터는 콜라값, 액체 헬륨 1리터는 5만원 정도로 비싸다. 임계전류밀도가 낮은 게 한계점이다.

LK99의 실험

논문에 그래프에서 저항이 급격히 떨어진 저항값 단위가 다르다. 100도 부근에서 갑자기 떨어지고 지속적으로 0으로 간다

반자성 마이너스 효과?
반자성을 보이는 초전도체라면 자석위에서 시료를 위아래로 뒤집어도 뒤집힌 모습으로 여전히 공중부양한다.

초전도체의 표준이론: BCS(1972)

조셉슨 효과

양쪽 초전도체 사이에 부도체를 넣고 전류를 흘리면 양자 터널이 생긴다.
조셉슨 접합 배열. 직류 성분과 교류 성분을 모두 가진 전류를 흘리면 계단 모양의 전압이 발생한다. 계단의 수는 접합수와 같다. n을 늘이면 전압을 측정하는 표준장치로 이용할 수 있다.

초전도체의 응용

• 무손실 전력수송이 가능하다. 초전도 도선을 이용하면 되나 중심에 액체 헬륨을 이용한다.
• 고효율 대용량 발전기 제작이 가능하다
• 무손실 전력 저장장치도 가능하다.
• MRI는 자기장이 강해야 한다. 초전도체가 이용되지만 비싼 액체 헬륨 필요하다.
  고온 초전도체는 임계 전류밀도가 작아서 비실용적이다.