특성
- 완전 전도성(전기저항 제로)
- 완전 반자성(마이스너 효과)
- 자속의 양자화, 자속양자 핀 고정
- 조셉슨 효과
▣ 완전 전도성(전기저항 제로)
어떤 물질을 식히면 특정 온도(임계 온도, Tc)를 경계로 전기저항률이 제로가 되는 현상입니다. 전기저항이 발생하는 원인은 물질 속을 진행하는 전자가 다양한 요인으로 인해 운동을 방해받고 있기 때문입니다. 방해를 하는 요인은 산란요인이라고 불리며, 물질 중의 불순물이나 결정결함 등을 들 수 있습니다. 그러나 초전도 상태에 있는 물질 중에서는 전자가 두 개가 한 세트로 운동하고 있습니다(쿠퍼 쌍). 이 쿠퍼 쌍이 되면서 초전도체 중의 전자가 하나의 큰 파동과 같이 운동할 수 있게 됩니다. 이 파동은 쉽게 산란요인을 극복할 수 있기 때문에 방해받지 않고 운동하는 것이 가능해져 제로저항이 실현됩니다.
현재 보고된 가장 높은 Tc는 Hg-Ba-Ca-Cu-O계 초전도체의 133K(섭씨 -140도)입니다. 초전도에 관한 연구분야에서는 Tc의 향상뿐만 아니라 그 발생원리의 규명이나 새로운 초전도체의 발견 등의 연구가 진행되고 있습니다.
응용으로는 초전도체의 전기저항이 제로라는 특징을 살려 대전류의 무손실 송전이나 강자기장 발생 마그넷 등이 실현 가능합니다. 또한 이것들을 이용한 SMES(초전도 자기 에너지 저장장치) 등의 고효율 에너지 시스템이나 MRI(자기공명 화상법) 등의 의료기기의 연구개발이 진행되고 있습니다. 또한 차세대 고속 교통수단으로서 초전도 리니어 모터카에서도 강력한 자기장을 발생시킬 수 있는 초전도 마그넷이 불가결한 기술입니다.
▣ 완전 반자성(마이스너 효과)
초전도체는 외부 자기장을 내부에서 완전히 배제하는 완전 반자성(마이스너 효과)이라는 성질을 가지고 있습니다. 상전도 상태에 있는 경우 자기장은 물질의 내부를 뚫고 갑니다. 그러나 일단 초전도 상태로 전이하면 내부를 뚫고 있던 자기장이 밖으로 밀려 나와 초전도체 내부에는 자기장이 없는 상태가 됩니다. 또한 자기장이 없는 환경에 있는 초전도체에 자기장을 가해도 자기장이 내부로 침입할 수 없습니다.
마이스너 효과가 발생하는 원인으로는, 초전도체에 자기장이 걸리면 초전도체의 표면 근처에서 작은 '전류 소용돌이(볼텍스)'가 발생합니다. 이 볼텍스는 외부 자기장을 상쇄하는 방향으로 흐르기 때문에 초전도체 내부에서는 자기장이 상쇄된 상태가 됩니다. 이것이 마이스너 효과입니다.
마이스너 상태에 있는 초전도체에 영구자석을 접근시키면 내부에 자기장을 침입시키지 않으면서 초전도체가 영구자석으로부터 밀려나는 힘이 작용합니다.
▣ 자속의 양자화, 자속양자 핀 고정
초전도체는 외부 자기장의 크기에 대한 초전도체 내부로의 자기장의 침입방법에 따라 제1종 초전도체와 제2종 초전도체 2종류로 나눌 수 있습니다.
제1종 초전도체는 임계자기장(Hc)까지 마이스너 상태를 유지하지만 그 이상의 자기장이 걸리면 초전도 상태가 파괴됩니다. 제1종 초전도체에는 Hg와 같은 금속원소 초전도체가 포함됩니다.
제2종 초전도체는 하부 임계자기장(Hc1)까지 마이스너 상태를 유지하지만 그 이상의 자기장이 되면 초전도체가 일부 파괴되어 자기장이 부분적으로 침입합니다. 자기장을 더욱 크게 해 나가면 차례차례로 자기장이 침입해 상부 임계자기장(Hc2)에서 완전히 상전도 상태로 전이합니다. 이 성질 때문에 제2종 초전도체는 고자기장까지 초전도 상태를 유지하는 것이 가능하여 강력한 초전도 마그넷 등에 사용되고 있습니다. 산화물 초전도체 등이 제2종 초전도체에 속합니다.
Hc1에서 Hc2 사이를 혼합상태라고 합니다. 혼합상태에서는 초전도에 침입한 자기장은 φ0 = hc/2e = 2.07 × 10^-7 G•cm^2을 최소단위로 φ0 정수배의 크기를 가진 무수한 자속선으로 분할되어 있습니다. 이것은 자속의 양자화로, 양자화된 자속선을 '자속양자'라고 부릅니다. 혼합상태에 있는 제2종 초전도체에 전류를 흘리면 자속양자에 로렌츠력이 작용하여 운동을 시작합니다. 이 운동에 따라 유도전계가 생겨 외부 자기장이 Hc2에 도달하지 않아도 초전도 상태가 파괴되어 버립니다. 이 때 초전도체 내부에 자속양자의 운동을 멈추는 '핀 고정점'이 존재하면 전류가 흐르더라도 자속양자는 운동하지 않고, 이상적으로는 Hc2까지 초전도 상태를 유지할 수 있습니다. 핀 고정점이 되는 것으로는 미세한 상전도체나 결정결함 등을 들 수 있습니다.
이 양자화 자속 핀 고정에 의해 초전도체 중에 침입한 자속양자는 확실히 고정되기 때문에 초전도체가 영구자석 상에 부상하거나 영구자석과 일정한 간격 유지하고 떨어지지 않는 피싱효과가 발생합니다.
자속양자 핀 고정은 초전도 응용에 특히 중요한 현상입니다. 자속양자 핀 고정점을 제어함으로써 보다 높은 자기장을 발생하는 초전도 마그넷의 개발이 가능하게 되었고 SMES의 저장 에너지량 증대나 NMR(핵자기 공명장치)의 분해능 향상 등을 기대할 수 있습니다.
▣ 조셉슨 효과
초전도체 중에서는 전자가 하나의 큰 파동을 형성함으로써 전기저항이 제로가 됩니다. 그렇다면 두 개의 초전도체가 얇은 절연체를 사이에 두고 있다면 어떻게 될까요?
절연체가 얇은 경우(수 나노미터 정도) 각각의 파동이 절연체를 넘어 다른 쪽의 초전도체에 전달됩니다. 각각의 초전도체의 파동은 아래 당연히 어긋나 있는데, 이 어긋남을 없애고 같은 파동으로 하기 위해 한 초전도체에서 다른 초전도체로 전류를 흘립니다(직류 조셉슨 효과). 이 전류는 전압이 가해지지 않은 상태에서도 흐르기 때문에 통상의 물질에서 생기는 터널효과와는 다른 초전도체 특유의 현상입니다.
또한 하나의 초전도체에만 전압을 가하면 그 초전도체 중의 파동이 방해되지만, 직류 조셉슨 효과의 경우와 마찬가지로 다른 파동과의 어긋남을 없애려고 절연체를 넘어서 전류가 흐릅니다. 그러나 전압은 걸린 채이므로 다시 파동의 어긋남이 생기고 또 전류가 흐릅니다. 이 반복에 의해 직류 전압을 가하고 있음에도 불구하고 교류의 전류가 흐르는 '교류 조셉슨 효과'가 생깁니다.
현재 이 조셉슨 효과를 이용한 고정밀도의 자기장 측정기나 고속으로 동작하는 전자 디바이스의 연구개발이 이루어지고 있습니다.
출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「超伝導」って何？
https://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/yoshidalab/superconductor.html#Flux_pin
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