초전도체는 오늘날 물리학자들이 가장 활발히 연구하는 주제 중 하나입니다.

 

상온에서 작동하는 초전도체를 만들면 손실 없는 전력 손실, 개쩌는 출력을 내는 모터, 둥둥 떠다니는 자기부상 자동차를 만들 수 있거든요.

 

이미 MRI 나 자기부상 열차 같은 곳에서 쓰이고 있기도 합니다.

 

 

 

오늘은 초전도체의 원리를 쉽게 설명해보도록 하겠습니다.

 

비정기적으로 물리 이슈들을 쉽게 설명하는 글을 연재하겠습니당.

 

 

 

대부분의 고체는 이런 식으로, 원자들이 주기적인 구조 (lattice) 를 이루고 있습니다.

 

주기적인 구조를 이룬 원자를 배경으로, 금속의 전자들은 거의 자유롭게 흘러다닐 수 있습니다.

 

 

그런데 우리는 중학교 시절 V = IR 이라는 옴의 법칙을 배웠습니다.

 

즉, 전자들이 완전히 자유롭게 흘러다닌 것이 아니라 '저항'을 받으며 흘러다닌 뜻입니다. 이러한 저항은 왜 생길까요?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

간단히 설명하자면, 원자들이 제자리에 있지 않고 부르르르르르 떨기 때문입니다.

 

원자들은 절대 0도 이상의 온도에서, 김상식의 축구를 본 매붕이들처럼 부들부들 거립니다.

 

전자들은 자유롭게 흘러다니다가, 부들거리는 원자에 부딪힙니다. 이것이 금속에서 저항이 생기는 주된 원인입니다.

 

길을 걷는데 옆에 가로수가 부르르 진동해서 부딪힌다고 생각하시면 됩니다.

 

 

 

그런데 충분히 낮은 온도에서는 존버단처럼 원자들은 덜 부들부들 거립니다.

 

그리고 사실 원자라고 표현했지만, 주기적으로 배열된 놈들은 원자가 아니라, (+) 극성을 띄는 이온입니다.

 

왜냐하면, 원래 중성이었던 놈들이 (-) 전하를 띄는 전자들을 자유롭게 풀어주어서, (+)가 되었거든요.

 

 

 

이러한 조건이 만족 되었을 때, 전자 하나가 이온 근처를 지나간다고 생각해볼게요.

 

(-) 극 전자를 띄던 전자는 (+) 극 전자를 띄는 이온에 주는 인력을 받을 거고, 이온은 위 그림처럼 평형 위치보다 휘어지게 될 거에요.

 

이 때, 우연치 않게 옆을 지나가던 다른 전자는, 휘어진 이온에 의해 보다 큰 인력을 느끼게 될 겁니다.

 

즉, 휘어진 이온 주변으로 전자 두 놈이 묶이게 될 겁니다.

 

 

 

전자들은 원래 (-) 극인 서로끼리 밀어내는 존재입니다.

 

그런데 이온의 도움으로, 전자들은 마치 전북과 김상식처럼, 붙어다니게 되었어요.

 

이렇게 붙어다니는 전자를 Cooper pair 라고 부릅니다.

 

 

 

그리고 이렇게 형성된 Cooper pair 는 더 이상 이온의 진동에 의한 저항을 느끼지 않습니다.

 

Cooper pair 에게 이온은 더 이상 부들거리느라 걸리적 거리는 존재들이 아니라, 전자를 붙어다니게 해주는 고마운 존재들이거든요.

 

 

 

 

지금까지 설명드린 내용은, 물리학 역사상 가장 성공적인 이론 중 하나인 BCS 이론입니다.

 

이 아저씨들은 이걸로 최초로 초전도체의 원리를 설명해서 노벨상을 탔습니다.

 

1906?년인가 최초로 발견된 초전도체 원리를 설명하는데까지 반 세기나 걸렸습니다.

 

 

 

감사합니다.