초전도 발현 메커니즘

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초전도는 전이온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상이며, 1911년에 Heike Kamerlingh Onnes에 의해 발견되었습니다. 금속의 상전도상에서 가상적으로 전기저항이 0으로 한 상태(완전 전도 상태)와는 달리 마이스너 효과라고 불리는 완전 반자성을 나타내는 것이 1933년에 발견되어 상전도 상태와는 다른 물질의 새로운 단계로 결정되었습니다. 반면에 초전도가 발현되는 이유와 초전도 상태의 전자상태는 초전도 발견 이후 오랫동안 알려지지 않았습니다. 그러나 1957년에 Bardeen, Cooper, Schrieffer의 3명에 의해 발표된 이론(BCS이론)에 의해 초전도 발현 메커니즘 이론의 기본이 밝혀졌습니다.

초전도 상태에서는 전자 2개가 쌍을 이루고 있습니다. 이 쌍을 쿠퍼쌍이라고 합니다. 전자는 페르미 입자인데 전자 2개가 쌍을 이룬 쿠퍼쌍은 보손이 되기 때문에 쿠퍼쌍이 집단으로 응축할 수 있습니다(보즈 응축). 이 응축상태가 초전도 상태라고 할 수 있습니다.

전자가 쌍을 이루기 위해서는 전자 사이에 어떤 인력이 작용해야 합니다. 전자끼리는 원래 쿨롱척력이 존재하기 때문에 그대로는 쿠퍼쌍을 형성할 수 없습니다. 초전도상태에서는 전자간의 쿨롱척력을 유효하게 인력으로 할 필요가 있습니다. BCS 이론에서는 이 인력의 형성 메커니즘으로 포논을 채택했습니다. 음전하를 가진 전자가 양전하를 가진 원자핵이 늘어선 결정 사이를 운동하면 결정격자에 변형이 일어납니다(포논). 왜곡된 부분에서는 다른 부분에 비해 양의 전하에 치우쳐지고 다른 전자가 그 치우친 장소에 유효한 인력을 느낍니다. 즉 전자간에는 포논을 매개로 하여 유효한 인력이 작용하고 있는 것입니다. 이 효과적인 인력에 의해 쿠퍼쌍이 형성되어 응축됨으로써 초전도 상태가 되는 것입니다.

이처럼 BCS 이론은 초전도의 기본 발현 메커니즘을 밝혔습니다. 그런데 BCS 메커니즘의 초전도체와는 분명히 성질이 다른 초전도체(비전통형 초전도체)가 1978년의 무거운 전자계 초전도체의 발견을 계기로 잇달아 발견되었습니다. 그 대표 예가 1986년에 발견된 구리산화물 고온 초전도체입니다. 고온 초전도체에서는 쿠퍼쌍을 만드는 인력은 전자-포논 상호작용이 아니고, 전자가 가지는 스핀이 인접끼리 반평행이 되려고 하는 스핀요동이라고 추정하고 있습니다. 2008년에 발견된 철계 초전도체는 구리산화물에 이어 높은 전이온도를 가진 초전도체인데 스핀요동 외에 궤도요동을 매개로 한 초전도 이론이 제안되고 있습니다.

그 외 구리산화물 초전도체와 같은 결정구조를 가지는 Sr2RuO4에서는 쿠퍼쌍을 형성하는 전자가 서로 평행이 되는 스핀 삼중항 상태인 것이 실험적으로 관측되는 등 발현 메커니즘에 대해서는 다양한 이론이 제안되어 있습니다. 또한 최근에는 위상부도체(topological insulator)에 캐리어 도핑된 CuxBi2Se3에서 초전도가 발견되었습니다. 이 물질은 토폴로지컬 초전도의 후보물질로서 주목을 받고 있는데 그 발현 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超伝導発現機構
http://www.rover.nuap.nagoya-u.ac.jp/research_intro/mechanism.htm