초전도성

일반적으로 금속의 전기 저항은 온도가 내려가면 감소한다. 왜냐하면 전자가 금속 양이온 격자 사이를 지나갈 때 다른 전자와 격자 원자들과 충돌하며 이로 인한 산란 효과가 전기 저항을 만드는데 열운동이 감소하면 전기 저항 역시 줄어든다. 그러나 세라믹 (금속 산화물), 풀러린화 알칼리 금속 (M3C60, M = K, Rb, 또는 Na, K, Rb, Cs 혼합물) 및 어떤 금속과 합금 등은 온도가 임계값 Tc 아래로 내려갈 때 갑자기 전기 저항이 완전히 사라진다. 이 현상이 초전도성인데 전자가 짝을 지어 Cooper 쌍을 만들고 이 쌍이 산란 작용 없이 금속 격자 사이를 질서정연하게 자유로이 지나갈 수 있다. 초전도성의 이론이 아직까지 만들어지고 있지만 1957년에 제안된 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 이론이 40 K 이하의 초전도 현상에 대한 만족스러운 이론으로 일반적으로 받아들여지고 있다.

저항이 0인 것에 덧붙여 초전도 물질은 완전한 반자기성이다; 다른 말로 하면 (온도가 Tc까지 올라갈 때 감소하는 한계 세기까지의) 자기장은 초전도 물질 내부로 들어갈 수 없다 (Meissner 효과). 이것은 이동하는 짝을 이룬 전자 상태에 의한 것이다. Meissner 효과에서 생기는 재미있는 결과는 편평한 초전도체 표면 위로 작지만 강력한 자석이 뜬다는 (공중부양) 사실이다.

초전도성은 1911년에 처음으로 H. Kamerlingh Onnes에 의해 액체 헬륨 온도(4.2 K)에서 수은 고체가 가진다는 사실이 발견되었고 그 후 75년 동안 다른 금속, 합금, 및 세라믹 (예, Pb, Nb, Nb3Sn, LiTi2O4) 등이 저온에서 초전도성을 가지고 있다는 것이 알려졌지만 Tc가 23 K를 넘지는 니오븀-주석과 니오븀-타이타늄 합금이 초전도 전자석에 감기면 핵자기공명 (nuclear magnetic resonance, nmr) 분광계 등의 특수한 용도에 사용될 수 있는 강한 자기장 (10 T나 그 이상)을 가질 수 있게 개발되었다; 일단 전류가 초전도 코일에서 유도되면 저항 없이 무한히 흐를 수 있으므로 아주 높은 전류가 가능하다. 불행하게도 이 장비들은 액체 헬륨으로 계속하여 냉각되어야 하므로 비싸고 불편하다. 만약 Tc가 값싼 냉각제인 액체 질소의 비등점 (77 K) 보다 높다면 새롭고 중요한 기술의 기회가 열릴 것이다. 예를 들면 높은 저항에 의한 손실이 있는 현 기술에 비하여 초전도 송전선을 이용하여 송전하면 크게 절약할 수 있을 것이다. 더 나아가 Meissner 효과에 의한 자기 부상 열차를 승객 수송에 이용하면 달리는 동안의 마찰을 아주 크게 줄일 수 있을 것이다. 당연히 Tc기 주위의 온도보다 상당히 높다면 아주 더 바람직한 물질이 될 것이다.

1986년에 Bednorz와 Müller가 La2-xBaxCuO4의 Tc가 30 K로 높다는 고무적인 소식을 발표한 후 계속 개량되어 그 다음해에 액체 N2 온도보다 상당히 높은 93 K의 Tc를 가지는 YBa2Cu3O7-x ("YBCO")가 만들어졌다. 엄청난 양의 고온 Tc 세라믹이 발견이 뒤를 이었다; 1993년에 대기압에서 Tc가 135 K인 HgBa2Ca2Cu3O8+x (15 GPa 압력에서는 153 K 로 증가)가 만들어졌고 곧 이어 Bi-Sr-Ca-Cu-O 그룹에 속하는 초전도 물질의 Tc가 250 K라고 주장되고 있다.

새로운 세라믹 초전도체에 공통된 특징은 그들이 모두 구리염 즉 복합적인 구리 산화물이라는 사실이다. YBCO의 합성은 비교적 쉽다; 건조된 산화 이트륨(Y2O3), 산화구리(CuO)와 탄산바륨(BaCO3)의 적당량이 가늘게 갈아져 잘 혼합된 후 950℃에서 가열되어 흑색 고체가 제조된다. 그 후에 식혀지고 디스크로 만들어지며 950℃에서 소결된다. 마지막으로 “sensitizing 단계”로 운반되고 500-600℃에서 순수한 산소로 처리되면 비양론적인 YBCO가 만들어진다.

새로운 초전도 세라믹을 찾기 위한 지침이 만들어졌고 그 중 몇 개를 소개하려고 한다.

(ㄱ) 클러스터기 연결된 면 구조를 가져야 한다(지금까지 이들 모두는 Cu-O 단위로 이루어졌다);

(ㄴ) 물질은 금속-절연체(Mott) 전환의 경계 근처에 있어야 한다. 즉, (초전도성이 아닌 경우에) 빠듯한 금속 전도체이어야 한다;

(ㄷ) Mott 전환의 절연체 편에 있을 때는 약자기성이어야 한다;

(ㄹ) 확장된 금속-금속 결합이 없어야 한다.

그러나 최근의 많은 연구는 새로운 초전도화합물을 발견하는 것에 중점을 두지 않고; 대신에 전형적으로 잘 부러지는 기존의 알려진 초전도 세라믹에서 유연한 철사와 테이프이나 실제 전기 장비에 사용될 수 있는 다른 부품들의 제조에 주력하고 있다. 유용하게 사용되려면 이들 부품이 높은 전류를 통할 수 있어야 한다. 자기장이 세어지면 물질이 초전도체가 될 수 있는 온도가 낮아지며 당연히 전류는 자체적으로 자기장을 만든다. 높은 Tc를 가진 초전도체 개발의 초기 단계일 때 BSCCO에 속하는 세라믹이 YBCO보다 더 편평하고 더 규칙적인 모양을 가진 입자로 존재하였기 때문에 철사와 테이프를 만들기ㅔ 더 적당할 것 같았지만 적절한 어프로치가 행해지면 YBCO가 더 잘 이용될 수 있다는 것이 알려졌다. 그러므로 1995년에 미국과 일본의 합동 연구팀에서 유연한 니켈 합금 조각에 이트리아로 안정화된 지르코니아(Y2O3/ZrO2, "YSZ")를 퇴적시켜 YSZ 층에 YBCO의 에피택시얼 층을 성장하게 하여 쓸모 있는 초전도 테이프 제조에 성공할 수 있었다; 77 K에서 외부 자장이 없는 조건에서는 이 테이프에 1,000,000 A/cm2의 전류밀도를 흘릴 수 있었고 8 T의 자기장에서는 500,000 A/cm2가 가능하였다.

1996년에 지하 50 m 초전도 케이블(BSCCO 리본 6 km가 감긴)과 150 kW 초전도 전동기가 성공적으로 선을 보였다. 실용화될 수 있는 초전도 장비는 새로운 초전도 물질의 개발이 아닌 적절한 냉각 기술의 발달에 더 의존할 것으로 보인다.