초전도체
1. 개요
超傳導體 / Superconductor
초전도 현상이 일어나는, 다시 말해 특정 조건에서 전류에 대한 저항이 0이며 반자성을 띠는 물질을 말한다.
단순히 전기 저항이 0인 것뿐만 아니라 주변 자기장을 완전히 상쇄하는 완전 반자성(마이스너 효과[읽기주의])이 존재해야 초전도체라고 할 수 있다. 단순히 전기저항만 0인 완전도체와 비교해 봤을 때 자기적 성질에 차이가 분명하게 존재하기 때문이다.
실제로 새로운 초전도 화합물을 발견했다고 발표하려면 저항이 0이 되는 현상과 완전반자성이 관찰되어야 한다.
일반적인 도체는 자유전자의 흐름을 통해 전류를 전달하는데, 이 과정에서 원자핵의 전기적 저항이 있어 전자가 지닌 에너지의 완벽한 전달이 불가능하다. 하지만 특정한 조건이 만족되는 경우 일부 물질은 전기저항이 0인 상태가 되는데, 이를 초전도체라고 한다. 여기서 특정한 조건이라 함은 일정 온도 이하, 일정 통전전류 이하, 일정 자장 이하를 의미한다.
이 현상을 설명하기위해 몇가지 이론이 있지만 아직도 모든 경우에 들어맞는 이론은 없다. 한마디로 왜 이런 현상이 나타나는지 정확히 모르고있다.
2. 역사
초전도체의 역사는 저온물리학의 발달 과정과 밀접한 관련이 있다. 20세기 초 과학자들은 초저온에서 전자들의 거동이 어떻게 될것인가에 대해 의견이 분분했다. 크게 3가지로 의견이 나뉘었는데 고체를 이루는 격자진동이 완전히 사라지면서 전기적 저항이 0이 될 것 이라는 의견, 그래도 어느 정도의 저항은 남아 있을 것이라는 의견, 그리고 전자들이 얼어붙어서 저항이 오히려 증가할 것이라는 의견이 있었다. 하지만 당시에는 냉각기술이 발전하지 못했으므로 예측만 있는 상태였다.
하지만 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는 액체 헬륨을 만드는데 성공했고 지구에서 가장 낮은 온도를 실험실에서 만들어 냈다.[1] 그 당시에는 오너스만이 저온에 도달할 수 있었으므로 (오너스 사후 에도 수십년간 이정도의 극저온을 만들수 있는 실험실은 오너스가 재직하던 레이던 대학교밖에 없었고) 당연히 오너스가 저온에서의 전자의 거동을 측정하기 시작했다. 여러가지 금속의 저항을 측정하던 중 1911년에 4.19 K[2] 에서 수은[3]의 전기저항이 0이 되는 것을 발견하여 초전도라는 성질이 알려졌다. 이 후 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
초전도체의 저항은 굉장히 낮기 때문에 일반적인 4단자 측정법으로는 저항을 측정할 수 없었다. 굉장히 낮은 저항이라는 것은 분명하지만 실제로 저항이 0인지는 알 수 없었다. 그래서 색다른 방법을 모색했는데 그것은 바로 전류 스스로를 이용한 것이었다. 초전도체는 저항이 굉장히 작으므로 한번 폐회로 형태의 전류가 생성되면 외부에서 어떤 기전력을 주지 않아도 전류가 사라지지 않고 계속 존재한다. 이 전류는 자기장을 생성하게 되는데 자기장이 얼마나 변하는지를 측정하면 전류의 변화를 측정할 수 있고 저항을 유추해 낼 수 있다. 이 방법으로 측정한 결과는 실제로 저항을 0으로 여겨도 된다고 합리적으로 말해주고 있었다.
초전도 특성의 또 한 축인 마이스너 효과는 초전도 현상이 발견된지 22년이 지난 1933년에 발터 마이스너와 로버트 오쉔펠트가 주석과 납 시료에서 실험적으로 발견했다.
그리고 다시 약 24년이 지난 후인 1957년, John '''B'''ardeen, Leon Neil '''C'''ooper, John Robert '''S'''chrieffer 3명이 연구를 통해 초전도 현상에 대한 이론적 설명을 최초로 성공하였고, 이를 연구자들의 이름의 앞 글자를 따서 BCS이론이라고 한다.
그 이후 29년 후인 1987년, BCS이론이 적용되지 않는 고온 초전도체인 구리기반초전도체가 Bednorz와 Muller에 의해 발견되었다. BCS이론의 경우 쿠퍼쌍의 매개를 포논이라고 보았는데 반해 구리기반초전도체에서는 Spin Density Wave(SDW)를 통해 매개되는 것이라고 예상하고 있다. 그래서 초전도 물질에서는 자성물질이 포함되면 SDW가 영향을 받기 때문에 고온초전도 물질을 연구 하는데 있어 자성물질은 기피했다.
구리 기반 초전도체가 발견된 지 19년이 되는 해인 2006년, 대표적인 자성물질인 철(Fe)을 기반으로 하는 초전도 물질이 일본 Hosono 그룹에서 발견되었다. 기존의 SDW이론을 적용하기 힘들어지자 새로운 매개체에 대해서 발견하기 위해 노력중이다. 현재는 Charge Density Wave(CDW)가 많이 받아들여지고 있는 상태이다.
약 20-30년마다 초전도 분야에서 큰 발견들이 이루어지고 있는데 2025-2035년 사이에 또다시 큰 발견이 이루어 질지도 모르겠다.
APS Physics에서 정리한 초전도체의 역사를 참조바람.
2.1. BCS 이론
BCS 이론은 초전도 현상을 설명하는 이론으로 존 바딘과 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼에 의해 발표되었다. BCS 가장 기본은 양자역학이다. BCS이론을 발표하는 데 있어서 이 이전에 보고되었던 내용은 BCS이론의 확립에 크게 일조했다. 1950년 프레리는 자유전자들이 금속결정을 구성하는 양이온을 가운데 두고 서로 끌어 당기는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 그 원리는 다음과 같다. 1) 동시에 동위원소들이 서로 다른 초전도 임계온도를 갖는 다는 사실이 밝혀졌다. 이 두 사실을 기반으로 초전도 현상은 양이온이 중요한 역할을 한다는 것이 발견 된 것이다. -273℃에서는 스핀방향이 정반대인 전자 2개가 쌍을 이루고 있는데 이를 쿠퍼쌍이라고 한다. 이 쿠퍼쌍들은 양자적인 상태를 선호하는 보제 입자를 이루어서 헬륨 원자처럼 같은 양자적 상태에 있고 이들이 함께 움직이면서 초전도 현상을 일으키게 된다. BCS이론에서는 초전도 상태의 쿠퍼쌍이 깨져서 자유전자가 되기 위해서는 2∆로 표시되는 일정한 에너지가 필요한데 여기서 온도가 올라가게 되면 열에너지에 의해 쿠퍼쌍이 깨져 자유전자가 많아진다. 쌍을 이루는 전자가 적을수록 Δ값이 적어지다가 임계온도가 되면 Δ값이 0이 돼 초전도 상태가 깨지게 된다. BCS이론을 통해 어떤 물체의 임계온도를 예측 할 수 있었고, 자기장에 따른 임계온도의 변화도 예측했다. 뒤에 실행된 많은 이론이 이 BCS이론을 지지했고 BCS이론은 확고히 자리잡게 되었다. 그러나 이 BCS이론은 고온초전도 현상을 설명할 수 없었다. 고온으로 올라가면 쿠퍼쌍이 계속 깨져 초전도 현상이 나타날 수 없기 때문이다.
3. 현상
초전도체들의 공통적인 성질은 기본적으로 세 가지이다.
3.1. 전기저항 0
첫 번째는 초전도체의 기본, 알파이자 오메가인 '''직류 전류저항 0.'''[4] 초전도 상태를 만들기 위해서는 온도만 내려주면 된다고 생각하지만 실제로는 여러가지가 충족되어야 한다.
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이 그림을 superconducting dome이라고 하고 초전도 현상이 생기기 위한 조건을 설명한다.
- 온도가 임계 온도(Tc)보다 낮아야 한다. 여기서 임계온도는 영어로 critical temperature이다.
- 자기장이 임계 자기장(Hc)보다 낮아야 한다.
- 전류가 임계 전류(Jc)보다 낮아야 한다.
그래프를 보면 알 수 있겠지만 임계온도의 바로 밑에서는 조금의 자기장이나 전류로도 쉽게 초전도 현상이 깨진다(사라진다). 반대로 0 K에 가까이 갈수록 비교적 강한 자기장이나 강한 전류에도 잘 버틴다.[6] 따라서 고온초전도체는 고온에서 초전도현상이 나타난다는 의미도 있지만 단순히 바라봤을 때 낮은 온도에서 더 많은 전류를 흘려 보낼 수 있다는 의미도 된다.
3.2. 교류손실
일반적으로 초전도 선재는 전기저항이 “0”이지만, 이는 직류에서 사용되는 전력 기기에 한정된다. 우리가 사용하는 보통의 전력 기기는 교류 상태에서 작동하며, 이때 초전도 선재에는 수송전류에 의한 자기자계의 시간적인 변화로 핀중심이 이동하고, 이로 인해 마찰저항인 열손실인 전력손실 즉 교류손실이 발생한다.
이와 같은 교류손실은 구리와 같은 상전도체의 경우에 비해 1/1000 정도로 작은 양이지만 초전도체는 극저온의 액체질소나 헬륨과 같은 냉매를 사용하기 때문에 작은 양의 손실이라 할지라도 경제성에 큰 영향을 미친다. 그 이유는 열 손실로 인해 기화된 냉매를 다시 냉각하여 액체로 만들기 위해서는 수십배의 에너지가 필요하기 때문이다
또한 아무리 초전도체라고 해도 도선의 기생 인덕턴스와 도선과 대지 사이의 기생 커패시턴스[7]가 어디 가는 것이 아니므로 이로 인한 무효 전력 및 전력 손실이 발생할 수 있다.
3.3. 마이스너 효과
전기저항이 0이라는 것만으로는 초전도체의 특성을 완전히 설명하기 어렵다. 전기저항이 존재하지 않는다는 점에서는 초전도체를 완전도체(Perfect conductor)의 일종으로 볼 수 있겠지만, 이 둘은 명확히 구분되는 물질이다. 마이스너 효과는 초전도체에서만 관측할 수 있다는 점에서, 이 둘을 구분지어주는 명확한 특성이라고 할 수 있다.
전자기장을 매개하는 광자(photon)가 평소에는 질량이 없으나 초전도체 내부에서 자발적 대칭성 붕괴(Spontaneous symmetry breaking)가 일어나서 전자들이 쿠퍼쌍을 이루게 되면 광자가 질량을 갖게된다. 입자 물리에서 이야기하는 힉스 메커니즘 때문이다. 사실 힉스 메커니즘이란것이 초전도 연구에서 먼저 시작되었다. 이 때문에 자기장 입장에서는 힘든 길을 선택하지 않기 위해 돌아가는 것.
3.4. 자기 선속 양자화(Magnetic Flux Quantization)
초전도체는 일반적으로 1종 초전도체와 2종 초전도체로 나뉘는데 두 종류의 초전도체 모두 물질에 따라 다른 어떤 세기 이상의 자기장 (임계 자기장)에 노출되면 초전도성을 잃게 된다. 다만 2종 초전도체는 이 임계(상부 임계)보다는 작고 하부 임계 자기장보다는 큰 자기장에서 물질 전체가 초전도성을 잃는 대신 자기선속 다발이 초전도체를 뚫고 지나가는 현상 즉 자기 침투가 먼저 발생한다. 이 때 초전도체를 지나가는 자기장의 흐름의 양(Magnetic Flux)이 자기선속양자(Magnetic Flux Quantum)라는 값의 정수배로 제한되며 이것을 자기장 선속 양자화라 한다. 말 그대로 양자화가 되어버리는 현상. 일반인들은 초전도 현상 자체나 마이스너 현상 같은 것을 가장 신기해 했지만, 물리학자들의 입장에선 이 현상이 가장 신비한 녀석이었다. 이놈 때문에 생각하지도 못했던(사실 양자도 아닌) 자기장의 흐름이 양자화되었기 때문에. (긴즈버그-란다우 이론에 의하면 제2종 초전도체의 경우 외부 자기장이 존재할 때 초전도-비초전도 경계면이 많을 수 록 초전도체 자체의 자유에너지가 줄어든다. 따라서 최대한 많은 경계면을 갖기위해 침투한 자기장을 할 수 있는한 최대로 쪼개는 샘.)
자기장 선속이 양자화되어도, 자석에서 거리에 따른 자기장의 선속은 연속적인 값을 가진다. 재미있게도 이 때문에 자석이 초전도체와 가까이 있는 상황에서 그 자석과 초전도체의 상대적인 위치가 고정된다.[8] 부연하자면 자석을 옮겨 초전도체를 통과하는 자기장 선속을 바꾸려고 하면, 초전도체를 관통하는 자기선속은 자기선속양자의 정수배로 유지가 되어야 하기 때문에 초전도체를 고정한 채로는 '''자석을 옮길 수가 없다.'''(더 정확하게는 옮기려면 에너지가 필요하며 초전도체를 관통하는 총 자속이 클수록 필요한 에너지도 커진다.) 이 현상을 이용한 간단한 실험으로, 초전도체에 액체질소를 가득 부어 초전도 현상이 일어나는 상태로 만들어두고 자석에 꾹 눌러서 붙인 후 들어 올리면 마치 낚시하는 듯 '''자석이 초전도체 따라 공중으로 올라간다.''' 그래서 현상 이름도 고기잡이 현상. 단순한 중력에 대한 반발력이 아니라 자석의 근처에 말그대로 3차원으로 고정이 된다. 게시판에 종이를 압정으로 고정시키듯 3차원 공간에 고정을 시킨 상태인 것 '''자기 물질을 그 위에 띄울 수 있다.''' 그 간격은 종류별로 다르지만 YBCO[9] 덩어리와 네오디뮴 자석을 쓴다면 약 1~2cm가량 뜬다.[10]
이걸 이용하면 실험할 때 밸런스만 잘 맞출 경우 자석-초전도체-자석-초전도체-자석...도 가능하다.
4. 이론
4.1. 초전도성(Superconductivity)
초전도체의 원리와 초전도체가 가지는 성질에 대한 연구는 많은 고체이론 물리학자들이 열과 성을 다해 연구하고 있다. 흔히 이론 물리학이라고 하면 입자물리학 이론과 천체 물리학 이론쪽 정도만 떠올리는 분들이 많지만, 고체 물리학도 엄연히 이론하시는 분들이 있다. 단지 앞의 두 가지에 비해서 '''상호작용이 너무 많기 때문에'''[11] 쉬운 접근이 힘들어서 여러가지 근사법들을 가지고 이론을 펼쳐간다. 핵 물리만 해도 수 개~ 수 백개에 대해 다루기 때문에 근사법으로 다루는데 아보가드로 숫자에 해당하는 입자들의 집합인 고체는 근사가 아니면 다루는것이 불가능하다. 앞에서 언급한 오너스의 첫 발견 이후 많은 물리학자의 노고 끝에, 1950년도에 초전도체에 관한 기본 이론이 '''일단은''' 확립되었다. 이게 "일단은"인 이유는, 후에 비금속성 초전도체의 발견으로 이론의 수정이 불가피해졌기 때문. 발견에 비해 이론이 이렇게 늦어진 이유는, 위에서 언급한 세 번째 현상 때문에 양자역학의 개념이 도입되기 이전엔 설명조차 불가능했기 때문이다.[12] 구 소련에서 1950년에 비타니 레자라비치 긴즈버그와 레프 란다우가 초전도현상을 일으키는 물질의 현상학적 모델을 제시했으며('''긴즈버그-란다우 이론'''), 이와는 별개로 서방에서 1957년에 존 바딘[13], 레온 N. 쿠퍼,[14] 존 R. 쉬리퍼가 '''BCS 이론'''을 창립, 위의 세 가지 현상을 전부 설명하게 된다. 그리고 이 후에 Lev. P. Gorkov가 BCS이론에서 약간의 조건을 도입하여 긴즈버그-란다우 이론을 유도하면서 두 이론이 동일한 현상에 대한 다른 설명인것이 증명되었다.
초전도체에 관한 현재 유력한 설명은 BCS이론의 전자 커플링설. 이것이 메이저한 이유는 초전도체를 이동하는 양자의 전하를 q라고 했을 때, 실험을 통해 q=2e로 밝혀졌기 때문이다. 이를 "쿠퍼 쌍(Cooper pair)"이라고 부르며, 이 쌍은 같은 스핀의 전자 2개가 같이 이동하며 하나처럼 행동하는 1/2+1/2=1인 보존으로 행동해버린다. 때문에 한 상태에 여러개가 저항없이 존재하기에 저항이 0이라는 설명. 쿠퍼는 두 전자 사이에 포논에 의한 인력이 있다면 이 인력이 아 무리 약하더라도[15] 두 전자가 하나의 입자처럼 '묶여서' 행동한다고 이론적으로 증명했다. 그것이 바로 cooper instability.[16] 하지만 전자가 커플링이 일어나는 방법에 대해 이론상으론 특정 상황을 만족하면 전자간 전기력이 인력일 수도 있긴 하지만 완전히 정설은 없다. [17]
BCS이론은 type 1 초전도체를 기반으로 만들어졌고 제1초전도체의 현상을 완전히 설명한다. 하지만 type 2에는 맞아들어가지 않는다. 쿠퍼쌍(cooper pair)의 생성은 두 전자가 포논에 의해 묶여 있다고 이야기 하고있다. 이것이 BCS이론의 한 축인데 고온초전도체의 경우 이 쿠퍼쌍을 묶는 것이 포논이 아니라 다른 메커니즘(Spin Density Wave, Charge Density Wave, Orbital Ordering 등)에 의한 것이라 생각하고 연구중이다. 고온초전도체에서도 쿠퍼쌍은 존재하므로 어떤 메커니즘에 의해 두 전자가 묶여있다는 것이고 포논이 아닌 그 무언가를 찾고 있다.
4.2. 볼텍스(Vortex)
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볼텍스란 위에서 설명했던 초전도체 내부의 양자화된 자기 선속이다. 볼텍스는 여러가지 이름이 있는데 두가지를 많이 사용한다. 하나는 볼텍스(Vortex)이고 또 하나는 플럭스(Flux). 둘은 완전히 같은 대상의 이름이며 대상의 어떤 면을 중점으로 바라보느냐에 따라 이름이 달라진다. 그림을 보면서 읽으면 이해하기 쉽다. 우선 플럭스는 초전도체를 뚫고 지나가는 양자화된 자기선속 그 자체를 서술하는 이름이고 볼텍스는 선속이 초전도체 내부를 지나갈 수 있게 반자성인 초전도체를 부분적으로 비 초전도체로 만들어주는 쿠퍼쌍들의 회전운동을 서술하는 이름이다.
초전도체에는 두가지 중요한 길이가 있다. 하나는 자기침투깊이(magnetic penetration depth)이고 나머지 하나는 코히런스 길이(결맞음 길이)(coherence length)이다. 이 두 길이의 비를 긴즈버그-란다우 계수라고 하고 이 계수의 크기에 따라 1종 초전도체와 2종 초전도체를 구분한다. 2종 초전도체는 이 긴즈버그-란다우 계수가 큰 초전도체이다. 달리 말해 코히런스의 길이보다 침투깊이가 긴 초전도체 이다. 침투 깊이는 초전도체의 자유에너지를 내리는 역할을 하고 코히런스 길이는 자유에너지를 높이는 역할을 한다. 침투 깊이가 길기 때문에 초전도체-비초전도체 경계면에서 낮은 에너지를 가진다. 이를 negative wall energy[18]라고 한다.
이 음의 에너지 때문에 2종 초전도체는 자기장이 있으면 최대한 표면을 많이 만드려고 한다. 최대한 표면이 많아야 초전도체 전체의 자유에너지가 낮아지기 때문이다. 이것이 바로 볼텍스를 만드는 원인이다. 외부 자기장이 있으면 이라고 표현을 했지만 반드시 외부에서 자기장을 가해 주어야 볼텍스가 생기는 것은 아니다. 전류만 흘려주어도 전류에 의한 자기장이 있고 이는 외부자기장과 같이 행동한다. 이 때의 자기장을 self-field 라고 지칭한다.
이 볼텍스는 외부자기장이 일정 크기 이상에서 생기기 시작하여 초전도 현상이 없어지기까지 존재한다. 볼텍스가 생기기 시작하는 외부자기장을 제1임계자기장(Hc1), 초전도 현상이 없어지는 크기를 제2임계자기장(Hc2) 이라고 한다. 제1,2임계 자기장 사이의 상태를 볼텍스 상태(Vortex state), 혼합 상태(Mixed state), 아브리코소프 상태(Abrikosov state)라고 한다.
이 볼텍스들은 제1임계자기장에서 생기기 시작하여 자기장의 세기가 강해질수록 개수가 많아진다. 그러다 어느정도 개수가 많아지면 이 볼텍스들은 마치 서로 밀어내는 젓가락처럼 결정을 구성하기 시작한다. 이를 볼텍스 결정이라고 한다. 이 볼텍스들은 자기장만 있을때는 가만히 있다. 그리고 초전도체 내부의 여러가지 결함들에 묶여 있고 이를 볼텍스 피닝(Vortex pinning)이라고 한다. 초전도체 내부에 전류가 흐르면 자기장과 전기장의 상호작용에 의한 로렌츠 힘이 생겨 움직이려는 힘을 받는다. 볼텍스가 이 로렌츠 힘에 의해 마구 마구 움직이게 되면 직류전류임에도 불구하고 저항이 생긴다. 따라서 이 볼텍스들을 한자리에 묶어두는 볼텍스 피닝이 중요해진다. 이 볼텍스를 묶어주는 피닝센터(pinning center)는 자연적으로도 생기지만 인위적으로 제작하기도 한다. 인위적으로 피닝 센터를 제작하게 되면 볼텍스들이 강하게 묶이게 된다. 볼텍스가 전류, 자기장, 온도에 대해서 어떻게 생기고 움직이는지 시뮬레이션을 한 결과를 올려놓은 그룹이 존재한다. 홈페이지에 들어가 보면 볼텍스의 거동에 대해 이해하기 쉬워진다.
이 볼텍스 상태에서 온도를 올려 Tc근처로 가게 되면 볼텍스들은 피닝센터에서 슬슬 떨어져 나가기 시작한다. 이것은 마치 고체 내부에 원자들이 온도가 올라감에 따라 확산하는 현상과 같다. 고용체에서 이온의 확산을 간단히 서술하면, 이온의 현재 위치와 이동 가능한 다른 위치에서의 포텐셜은 낮고 그 사이는 높다. 이 높은 포텐셜은 이온이 쉽게 이동하지 못하게 하는 역할을 한다. 하지만 온도가 어느 정도 높아지면 이온은 열에너지를 흡수하여 포텐셜을 넘어 갈 수 있는 확률이 높아진다. 이는 마치 계란판에 구슬을 넣고 가만히 놔두면 옆칸으로 이동하지 못하지만 흔들어주면 옆칸으로 이동할 수 있는 가능성이 높아지는 상황과 완전히 동일하다. 계란판에 들어있는것이 구슬이 아니라 볼텍스라고 생각해보자. 이 때 옆칸으로 이동하려면 큰 에너지가 필요하므로 옆으로 옮겨가기 힘들다. 웬만하면 그 자리에 묶여 있고 움직임이 제한적이다. 하지만 옆칸으로 이동을 전혀 못 하는 것도 아닌데 이는 터널링 효과로 생각해도 상관없고 볼츠만 분포 같은것으로 생각해도 좋다. 어쨋든 볼텍스들은 제자리에 있고 살짝만 움직이므로 이는 마치 볼텍스 고체(Vortex solid)로 생각할 수 있고 이 때를 '''Flux Creep'''이라고 한다.
계란판 이야기로 다시 돌아가서 만약 계란판을 한쪽으로 기울이고 흔든다면 살짝만 흔들어 줘도 옆칸으로 쉽게 이동할 수 있을 것이다. 이 상황은 볼텍스에도 완전히 동일하게 적용할 수 있다. 위에서 이야기한 로렌츠힘이 존재하면 볼텍스가 느끼는 포텐셜이 한쪽으로 기울어지게 되고 옆 피닝센터로 이동하기에 쉬운 상황이 된다. 이 때 전류는 임계전류보다 굉장히 작아야 한다.(J<<Jc) 그리고 온도가 Tc근처기 때문에 볼텍스들도 열에너지를 받아 포텐셜을 넘어 옆으로 슬슬 움직일 수 있다. 이 현상을 '''TAFF'''(Thermally Activated(혹은 Assisted) Flux Flow)라고 한다. 열적인 원인으로 볼텍스가 흐른다는 뜻이다. 이 때의 온도에 해당하는 에너지(kBT)가 피닝센터에 볼텍스가 묶여있는 에너지와 같은 셈. 아까 flux creep보다는 쉽게 움직일 수 있으므로 볼텍스 액체(vortex liquid)라고 생각할 수 있다.
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- 출처: 'Flux dynamics in high-temperature superconductors', M Nikolo, Supercond. Sci. Technol. 6, 618 (1993)
5. 응용
초전도체의 상업적 이용 중 3/4 정도는 MRI에 집중되어 있다. 이 MRI에는 현재 Nb3Sn 75% NbTi 25% 가 사용된다. 현재 인체에 허용되는 자기장 수준은 이 물질로도 만들어 낼 수 있다. Zeeman effect 때문에 자기장이 높아질 수 록 더 선명한 이미지를 얻는것이 가능하나 앞서 말했다시피 나이오븀 기반 초전도체로도 충분하므로 새로운 물질에 대한 수요가 현재는 부족하다. 또한 지금 고자기장을 만들어내는 나이오븀 기반 초전도체가 자기장에 대해 굉장히 등방한 성질을 나타내고 있다. 반면에 고온초전도체는 기본적으로 층상 구조(Layered structure)를 가지고 있어 비등방성을 크게 나타낸다. 아직 모든면에서 나이오븀 기반 초전도체를 넘어설 물질은 아직 없는 상태이다. 좋은 초전도체는 임계온도만 높아야 하는것이 아니라 임계전류, 임계자기장, 낮은 비등방성, 제작의 용이함 등 굉장히 까다로운 조건을 충족해야 한다. MRI 이용 요금이 비싼 이유는 MRI 구동시 필요한 액체 헬륨 값이 비싸기 때문이다. 세계의 헬륨 생산은 미국에서 사실상 독점하고 있는데, 의료와 화학계에서 중요하기 때문에 비싸도 안 살 수가 없다. 거기다가 헬륨값은 꾸준히 상승중이다.
MRI의 현미경 버젼이라고 할 수 있는 NMR spectrometer 에도 초전도체를 사용한다.[19] NMR 역시 초전도체가 상업적으로 많이 이용되고 있는 분야다.
NMR이나 MRI에 초전도가 쓰이는게 잘 알려지지 않은 이유는 몇 개 해외 기업에서 독점하며 엔지니어링 레벨의 기술을 잘 공개하지 않는 탓이 크다.
그 외에도 연구용으로 사용되고 있다. 정상적으로 구리도선을 사용해서 철심과 조합하는 방식으로 만드는 D.C. 자기장이 1.8 T수준이 한계인 것을 감안하면, 이 이상인 경우는 대부분 초전도체다. [20] 이런 연구로는 핵융합, 연구 레벨에서 사용되는 입자가속기를 구성하는 자석들 중 일부, 특수한 입자용 디텍터 등이 있다.
그 외에도 전력 수송용으로 실용화된다면 현재의 산업 환경을 획기적으로 바꿀 수 있다고 평가되는 물질로, 현재 원거리 전력 송신에 필연적으로 발생하는 전력 손실분을 0으로 만들 수 있으며, 전선 하나로 보낼 수 있는 전력이 크게 증가하고, 전력 손실을 줄이기 위한 전력 승압이 필요 없어 고압선 감전 위험을 최소화하는 등 다양한 활용이 가능하다. 그리고 실제로 초전도 케이블 자체를 특정 구간에서 상용화 된 사례가 있다. 참조 추가로 한국에서 초전도 케이블을 제작하는 기술 자체는 거의 최상급이다. 그럼에도 불구하고 아직 신뢰성 제공의 문제, 설치 장소(예를들어 바다에 묻어달라던가...)의 문제 등으로 초전도 케이블을 제공하는 국내 업체가 아슬아슬하게 몇 번 물을 먹었다 카더라는 얘기가 관련 연구분야 종사자들에게 돌고있다. 대신 현재는 이천변전소에 테스트용 초전도 케이블을 설치하여 시범 운영중이며, 한국전력 측에서도 초전도 케이블 도입을 위한 여러가지 시도를 진행 중에 있다. [21] 최근에는 러시아를 중심으로 MgB2 계열의 초전도체를 이용하여 초전도 케이블을 만들자는 움직임이 유럽 전역으로 확산되고 있는데, 특이한 점은 이 때 냉매를 액체 수소를 쓴다는 점이다. 연구자들은 안전하다고는 하지만..... 물론 이러한 응용에 국한되지 않고 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage), 자기부상열차의 부상용 자석, SQUID(Superconducting QUantum Interference Device)를 이용한 디텍터, Magnetic Seperation Filter 용 자석 등의 노력이 진행중이다. 그리고 한 번 뿐이긴 하지만 AMSC라는 기업에서 미 해군에 초전도체로 만든 전기모터를 만들어서 판 사례도 있다.
일단은 먼 꿈이기는 하지만, 그렇게까지 먼 꿈은 아니다. 1980년대 초까지만 해도 절대영도에 가까운 매우 낮은 온도에서만 초전도 현상이 일어나는 것으로 알려졌으나 1986년에 절대온도 30도에서 초전도 현상을 일으키는 물질이 발견되어 많은 과학자들을 흥분시켰으며, 이후 더 높은 온도에서 초전도 현상을 일으키는 물질을 찾으려는 붐이 일어나서 1987년에는 아예 절대온도 90도에서, 1988년에는 절대온도 127도에서 초전도 현상을 일으키는 물질이 잇달아 발견되었다. 현재까지 발견된 중에는 절대온도 135도에서 초전도 현상을 일으키는 물질(HgBa2Cam-1CumO2m+2+δ (Hg 1:2:m-1:m) with m=1, 2, and 3)이 가장 고온에서 초전도 현상을 일으키는데, 고압에서는 이 온도가 절대온도 164도까지 올라간다고 한다. 액체질소가 절대온도 77도에서 기화하는 것을 고려하면 이미 초전도는 기술적으로 충분히 다룰 만한 범위에 들어섰다고 할 수 있다.
그렇지만 지금까지 나온 소재로 만든 초전도 전선 등은 여전히 소재 가격이나 운영비(냉각비 등)가 매우 비싸다. 그래도 작금 들어서는 비싸지만 제작 기술의 발달로 대용량 전력 수송용 전선이 많이 실용화 연구가 진행되어 있으며, 2012년 현재 제주도에 시범 사업단지가 건설중에 있다. 진정으로 실용화가 되려면 상온에서 초전도성이 나타나는 물질(이를 상온초전도체라고 한다)이 필요하며, 이를 위해 지금도 많은 사람들이 활발하게 연구중이다.
그리고... 렉서스에서 결국 이런 것을 내놓고 말았다!! 백 투더 퓨쳐에 나왔던 호버보드가 현실로? 호버보드로 물 위를 지나가는 장면은 정말 뭉클한 느낌마저 들 지경이지만 사실은 전용트랙 위에서만 달릴 수 있으며 액체 질소를 넣어줘야 한다고. 그리고 특수레일 위에서만 달릴 수 있다. 영상은 레일 위와 주변에 얇은 판자를 씌워 가렸다.
6. 분류
초전도체를 부르는 명칭이 좀 직관적이지 않다. 그래서 일반인들이 헷갈리기 쉬운 편.
6.1. 온도별
온도에 따라서 저온, 고온, 상온 초전도체로 구분한다. 저온<고온<상온 순으로 온도가 높아도 초전도체를 유지한다.
그러나 현재까지 개발된 초전도체는 저온초전도체와 고온초전도체이며 상온초전도체는 아직까지 개발되지 않아 정식으로 분류하지 않는다.
현재 가장 높은 전이온도를 가지는 물질은 H2S로, 매우 높은 압력 조건에서 203 K의 전이온도를 가진다. 심지어 BCS이론이 적용되는 Conventional 초전도체.[22]
란타넘 하이드라이드는 더 높은 온도에서 초전도 현상을 보인다. -23℃에서 초전도 현상을 확인하였다. 기존의 황 하이드라이드 (203K) 보다 50K 정도 더 높은 온도이다.#
6.1.1. 저온 초전도체(Low-Temperature Superconductor)
작동온도는 4 K 대역으로 섭씨온도로 치면 -269 ℃ 정도이다. 보통 LTS를 구동할때는 기화점이 4.2 K 인 액체헬륨을 사용한다. 현재 상용화되어있는 초전도관련장비는 모두 이 LTS로 구동된다. 대표적인 것으로는 NbTi(니오븀 타이타늄)계열 재료가 있다. 특이사항으로 재료가 금속재료로써 인발이 가능하다는 장점이 있다. Nb3Sn(초전도체의 전이온도 18K.)을 쓰기도 하는데 Nb3Sn의 경우 자기장이 투사되었을 때 흘릴 수 있는 전류가 높다는 장점이 있지만, 깨지기 쉽고, 그래서 가공이 어렵다는 단점이 있다.[23] 보통 기술의 끝을 달리는 기기들은 대부분의 영역에는 NbTi를 쓰고, 극한의 자기장이 걸리는 특정 부위에만 Nb3Sn을 사용하는 기법을 사용한다. 이외에도 수소도 초전도체임이 밝혀졌다.
6.1.2. 고온 초전도체(High-Temperature Superconductor)
일반적으로 HTS라 부른다. 작동온도는 100 K이하이다.(구리기반초전도체중 150K에 해당하는 전이온도를 가진 초전도체도 존재한다) 섭씨온도로 치면 -180 ℃이하이다.[24] 보통 HTS를 사용할 때는 77 K(영하 200 ℃)의 액체질소를 사용한다.'''초전도체 중에서는 고온'''이라는 뜻. 대표적인 재료로는 BSCCO, REBCO가 있다.
REBCO에서 RE (Rare Earth)는 희토류를 의미한다. 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 사마륨(Sm) 등의 희토류를 포함시킬 수 있다. 예를 들어 가돌리늄을 넣으면 GdBCO가 된다. 어떤 희토류를 넣는지에 따라 특성이 많이 달라진다.
BSCCO, REBCO 등은 세라믹이라서 부러지기 쉽다는 특징이 있다. 잘 휘어야 사용이 편리하므로 이걸 선재로 가공한다. 선재로 가공하는 방법에 따라 1세대, 2세대로 나뉜다.
BSCCO는 스테인레스강으로 만든 튜브에 BSCCO 재료 분말을 넣고 열을 가하며 압출성형하는 PIT(Powder In Tube) 공법을 사용하여 테이프 모양의 선재로 만들며, 이게 1세대 선재다.
REBCO 계열의 재료는 2세대 선재는 기다란 테이프 형태의 기판에 반도체 증착하듯 초전도층을 증착시켜 제작한다. 좀 더 디테일하게 들어가면 기판 표면이 부드럽지 않기 때문에 이를 매끌매끌하게 해 주고 뒤에 증착될 초전도층을 한쪽 방향으로 증착되도록 유도하는 버퍼 층을 먼저 증착하고 그 위에 초전도층을 증착한다.
1세대고 2세대고 많이 제작되는 사이즈는 4 mm 폭의 선재인데, 국내에서 HTS를 제작하는 업체는 GdBCO기반의 2세대 선재를 제작하며, 12 mm의 선재를 만든 뒤 3개로 잘라서 판매한다. 선의 전체 두께는 대략 0.1 mm이나 실제로 발려 있는 초전도물질의 두께는 1μm 이하이다. 판형선재이므로 보빈이라 불리는 틀에 권선기라는 장비로 감아서 사용한다.
2015년 12월 기준 수백m 이상의 2세대 초전도체를 주문하면 바로 생산 가능한 업체는 아직 전세계적으로 3군데밖에 없다. 자기장 하에서 임계전류의 감소비율, 기계적 강도, 특성균일도 등 여러 성질에서 각 업체간에 장단점이 있다. 각 업체는 치열한 경쟁 중이며 경쟁자가 계속 늘어나고 있다.
여러 기준 중 4 mm 폭, 외부입사자장 없고 액체질소에서 통전가능 전류 스펙이 좋은 걸 기준으로 놓으면 국내 기업이 생산하는 선재가 가장 높다. 이런 초전도체의 통전 가능 전류 스펙이 얼마나 높냐면 폭 4 mm 두께 0.2 mm 수준의 얇은 테이프에 240 A를 흘려도 발열하나 없는(!) 수준이다. 참고로 가정용 콘센트에 정격으로 흘릴 수 있는 전류는 7~10A 수준에 불과하다. 가정용 콘센트에 저런 전류를 들이부었다간 순식간에 절연재에 불이 붙고 전선이 하얗게 빛나다 녹아내리는 모습을 볼 수 있을 것이다.[25]
이들과는 별도로 39 K의 온도에서 전이가 일어나는 MgB2도 고온초전도체로 보는데, BCS이론의 한계온도 기준때문에 취급이 약간 애매하다. 학계에서 널리쓰인다고 할 수준은 아니지만 Mid-Temperature Superconductor라는 용어를 쓰는 연구그룹도 있을 정도. 일단 현재는 편의상 고온초전도체로 분류하는 연구그룹이 더 많다.
6.1.3. 상온 초전도체(Room-Temperature Superconductor)
'''일상환경 수준의 온도에서도 작동하는 초전도체'''. 상온에서 초전도체가 되려면 두 전자가 상온의 운동 에너지를 넘어서는 강한 상호작용을 가져야 하는데 아직 그런 상호작용은 발견이 되지 않았다. 물리학의 난제 중에서 실제로 존재하는지에 대한 의문이 실제 관측으로 풀린 힉스입자와 중력파는 이론적으로 예측이 되어 있었기 때문에 적절한 목표를 가지고 실험을 하고 있으나 상온 초전도체는 그런 예측조차 없다. 때문에 실현 불가능한 SF로 치부하는 사람들도 있으나, 2020년에 초고압 환경에서 상온 초전도 현상이 관측되었다는 연구결과가 발표되었다.
즉, '상온' 조건만을 놓고 본다면 이미 달성된 과제이다.
상온 초전도체가 상용화되었을 경우 대표적인 부가효과는 다음과 같다.
다만 아래 내용은 현재 연구중인 초전도 현상에 대한 내용과 차이가 있다. 상온 초전도 현상을 내는 물질이 있다고 하더라도 그것이 '상온'이라는 것 이외에 다른 조건을 요구할 수도 있으며, 상온 초전도 현상을 일으키는 물질의 물성 등이 가공하기 안좋으면 실제 제품화가 힘들다. 그리고 초전도체는 임계 전류(Critical Current)를 넘는 전류를 흘릴 경우 초전도성이 깨진다. 상온 초전도체가 있다 하더라도 초대용량 전력 전송에 부적합할 가능성은 충분히 있다. 물론 현재의 알루미늄 선보다야 대전력 전송은 가능하겠지만, 제한이 아예 없는 물질은 아니라는 이야기이다. 그러니 아래 내용은 '''재미로만''' 볼 것. '전기 저항이 0이고 전달 가능한 전력양이 무한대이며 물성도 금과 같은 정도로 좋은 초전도체가 있다면?' 이라고 전제하고 상상할 만한 내용이다.
- 송전효율이 100%가 되어[26] 전기료가 저렴해진다. 참고로 2017년 기준 송전효율은 70%정도이다. [27] 다만 상온 초전도체의 가격과 무게가 변수가 될 수는 있다. 실제 현재 송전용 전선은 전기 전도성이 가장 좋은 은이나 두 번째로 좋은 구리가 아닌 알루미늄을 사용한다. 이유는 은의 경우 가격이 너무 비싸 전선에 사용하기 부적합하고, 구리 전선은 가격은 허용 가능한 수준이지만 너무 무거워서 송전탑에 사용할 경우 자체 무게 때문에 아래로 심하게 쳐지면서 단선되거나, 다른 전선과 접촉하면서 단락되는 등의 사고가 발생할 수 있기 때문이다. 초전도체 전선의 경우라면 어차피 저항은 의미가 없는 수준으로 작으니 전선을 가늘게 만들어 가격과 무게 양 측면의 문제를 해결할 수도 있겠지만, 두께가 가늘어지는 만큼 내구성이 떨어진다는 점에 대한 해결책이 필요하고, 만약 초전도체의 가격이 비싸지게 된다면 전선 도난 방지 문제까지 고려해야만 한다.[28]
- 전력시설 크기가 소형화되고 송전 및 배전 전압을 높이지 않아도 되며 변압 시설의 중요성도 낮아지므로 절연비용과 유지비용이 감소된다. 또한 초전도체에서 손실이 발생하지 않는 직류 송전[29] 방식의 경제성도 증가하게 된다. [30]
- 전세계를 연결하는 초전도 스마트 그리드 전력망을 구축할 수 있다. 전세계 누구나 전력망에 접속하여 전기를 사용하거나 발전을 할 수 있으며 시간대별 전세계 전력 사용량은 어느정도 일정하기 때문에 국가별 전력피크, 전력부족, 심야전기 낭비 문제가 해결되고 신재생 에너지가 풍부한 곳[31]으로 발전을 집중시켜 효율을 크게 높일 수 있다.
- MRI 촬영비용이 매우 저렴해진다. MRI 촬영비용 중 상당수가 초전도체를 냉각하는 액체헬륨 비용이기 때문에 상온 초전도체가 나올 경우 MRI를 X-ray 찍는 비용으로 찍을 수 있게 된다. 다만 기기값이 비싼건 여전할테니 X-ray보단 비싸게 받을듯 싶다.
- 초전도체로 만든 대전류 코일을 사용하여 구리선 기준 최대 1.5T가 한계[32]였던 정적 자기장(static magnetic field)의 한계를 넘어설 수 있다. 또한 이를 이용하여 매우 강력한 영구자석을 만들 수 있다. 물론 지금도 초전도체를 이용하여 높은 자기장을 만들어내어 상용장비로 사용하고 있다. [33]
- 강력한 마이크로 전자석을 사용하여 종래와는 비교도 안 되게 강력한 인공근육을 만들 수 있다. 신체가 외부의 저항에 버틸 때 근육에 힘을 줘서 버티는 것처럼 전기를 쏟아부을수록 단단해지는 인공근육 기술은 단순히 로봇산업의 도약을 넘어 군사기술을 포함한 문명 수준을 크게 발전시킬 것이다.
- 현재 자기부상열차는 대부분의 에너지를 열차를 부양하는데 쓰고 있으나 상온 초전도체가 나올경우 매우 적은 양의 에너지로 열차 칸을 띄우며 초고속 주행이 가능해진다.
- 회로 설계 과정이 비교적 간편해진다. 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분방정식이 선형화되어 해결 가능해진다.
- 고방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진장치를 제작할 수 있다. 작게는 인명 살상이 가능한 코일건부터 크게는 빅 바빌론같은 스페이스 건을 만들어 쓸 수도 있다.
- 과전류로 인한 전기화재사고가 줄어들고, 가동중 저항으로 인한 손상이 줄어들어 적절한 차폐만 되어있다면 기기 수명도 대폭 길어진다.
- 핵융합 발전과 같이 초전도체가 필요한 부가산업에 들어가는 돈이 훨씬 적어지고 수준 또한 크게 발전한다. 또한 전자기 응축이나 아크 가열식 핵융합 폭탄의 생산이 쉬워진다. 잘만 쓰면 단순한 군사적 사용이 아니라 우주선의 추진체로도 쓰일 수 있다.
- 플라즈마 발생 관련한 응용이 쉬워진다. 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것이다. 각종 산업용 기구의 덩치가 줄어들며 기능도 개선된다.
- 에너지 무기나 레일건 등 전자기력으로 구동하는 무기류의 위력을 치명적인 선에서 유지하면서도 크기와 무게 및 유지비용을 크게 줄일 수 있다. 초전도체의 소재가 금속성 수소같이 만들기도 다루기도 위험한 게 아니라면 이전보단 재료도 덜 들면서 소모-재생산되는 부속의 비용도 훨씬 절약될 것이다.
- 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치를 만들 수 있다.
현재 연구 중인 상온 초전도체 실현 방법중에 대표적인 것으로는 400기가파스칼(GPa)의 고압을 가하면 금속성 수소가 만들어져 상온 초전도체가 될 수 있다는 이론이 있다.[36] 그 밖에 그래핀을 사용하는 방법 등도 거론되지만 어느쪽이든 실험으로 입증된 적은 없다..만 가능성은 존재하는데, 전자 도핑된 p-wave 초전도체의 위에 한 층의 그래핀을 올려 놓았을 때 그래핀을 STM으로 측정하면 p-wave에 의해서 그래핀에 초전도 DOS가 생긴다고 발표 되었다. Nature Comm. '''8'''. 14024 (2017)
특히, 목성과 토성 등의 거대 가스 행성에서 무지막지한 규모의 행성 자기장이 발생하는 이유가 바로 행성 내부의 초고압 환경에 노출되면서 초전도체로 변한 대량의 금속성 수소 때문이라는 가설이 존재하는데, 이 가설이 사실이라면 여기서 상온 초전도체 구현에 필요한 실마리를 얻을 수도 있다는 것. 문제의 금속성 수소 자체는 2017년에 실험실에서 생성에 성공했지만 압력을 해제하는 과정에서 금속 성질을 잃어버리는 바람에 초전도성을 비롯한 물성을 테스트하는 데는 실패했다. 게다가 이 실험에 대해서 금속성 수소 생성 자체가 연구자들이 착각한 것 아니냐는 비판도 있어서 완전히 신뢰하기는 어렵다. 설령 상온에서 초전도성을 가진 금속성 수소를 만드는 데 성공했다고 해도 제조와 초고압 환경을 유지하는데에 필요한 에너지를 생각하면 초전도 송전 시스템 등 대량생산이 요구되는 산업 분야에서 쓸모는 거의 없다고 봐야 한다.
독일 막스플랑크 화학연구소 연구팀이 2019년 5월 네이처에 발표한 바에 따르면 수소화합물에 고압을 가함으로써 영하 23도에서 초전도 현상을 확인했다고 한다. 기존에 가장 높은 온도에서 초전도 현상을 보인 '고온' 초전도체가 보유한 기록이 영하 135도인 것을 생각하면 상온 초전도에 상당히 근접한 실험 결과라고 할 수 있다. 링크
미군에서 상온 초전도체에 대한 특허가 제출 되었다. #
그러다가 2020년 10월에 마침내 상온 초전도체를 구현하는데에 성공했다는 논문이 네이처에 등록되었다. 미국의 로체스터 대학 랭거 디아스 팀이 발표한 바에 따르면 '''15°C에서 초전도현상을 유도하는데 성공'''했다고 한다. 링크 두 개의 다이아몬드 사이에 탄소와 수소, 유황을 삽입한 혼합물에 레이저 등으로 260GPa(기압의 260만배)의 압력을 가했더니 상온 초전도체의 성질을 띄게 되었다고. 다만 압력이 너무 높다보니 분자 구조가 압축되어 쉽게 관찰할 수 없어서 화학식은 불명이라고 한다.
물론 이게 진짜 일상생활이나 산업현장에서 이용할 수 있는 초전도체를 개발했다는 뜻은 아니고 "엄청난 고압을 가하면 상온에서도 초전도 현상이 일어나더라..." 하는 이론의 검증 수준에 가깝다. 애초에 260만 atm 같은 진짜 천문학적인 스케일의 압력을 만들고 유지하는 것보다 -200'C 정도의 저온을 유지하는 게 훨씬 쉽고 안전하고 편리하니 이런 방식으로 굳이 초전도를 구현할 이유가 없다. 액체질소 항목을 보면 알겠지만 액체질소는 상당히 저렴하게 구할 수 있는 물질이기도 하고. 즉, 이 연구결과는 '초고압을 가하면 상온 초전도체가 가능은 하더라' 정도에 가깝다. 실험 결과를 잘 해석하여 상온 초전도체 개발을 할 수도 있겠지만 아직은 갈 길이 멀다. 그럼에도 이 연구가 의미 있는 것은 저온 조건의 경우 온도를 유지하는 비용이 계속 나가는데 비해서[37] 고압 조건은 특정 단계까지만 완화되면[38] 조건 유지에 필요한 에너지 부담을 크게 아낄 수 있기 때문이다.
6.2. 성질에 따른 분류
초전도의 전이가 일어나는 과정이 순간적인지 (제1형; Type 1) 점진적인지 (제2형; Type 2)에 따라 분류한다.
Type1과 2의 구분은 긴즈버그-란다우 이론으로 부터 coherence length; $$\xi$$와 penetration length; $$\lambda$$와의 비로 구분할 수 있다. Penetration depth를 Coherence length로 나눈 값을 긴즈버그-란다우 계수(Ginzburg-landau coefficient; $$\kappa=\frac{\lambda}{\xi}$$)라고 하고 이 값이 $$\frac{1}{\sqrt{2}}$$보다 작으면 1종, 크면 2종으로 구분한다.
- $$ \displaystyle \kappa < \frac{1}{\sqrt{2}} $$: 제 1 종 초전도체
- $$ \displaystyle \kappa > \frac{1}{\sqrt{2}} $$: 제 2 종 초전도체
6.3. 물질에 따른 분류
- 상용초전도체(Conventional SC) : BCS이론을 따르는 초전도체. 쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는것(Pairing Glue)이 포논이라고 증명됨.(동위원소로 치환했을때 초전도 전이 온도가 달라지는 현상이 하나의 큰 증거. 동위원소로 인해 포논의 모드가 바뀌고 이것이 초전도성에 영향을 준다. BCS이론에서 예측했던 질량에 대한 초전도 전이온도 함수가 실험값과 일치하여 증명됨. Tc~M-a, Tc는 초전도 전이온도, M은 이온의 질량, a가 0.5에 가까울 수록 포논에 의한 커플링)
- 구리기반 초전도체 (Cuprate SC) : 구리를 기반으로 한 화합물이 초전도성을 나타내는 초전도체. 대부분 층상구조를 이루고 있고 구리와 산소가 이루고 있는 층이 초전도성을 나타내며 나머지 층으로 인해 여러가지 초전도성이 달라진다. 이 구리기반 초전도체는 기존의 BCS이론이 맞지 않으며 쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는 것이 포논(Phonon)이 아닌 스핀밀도파(Spin Density Wave ; SDW)라고 예측하고 있다. 추가적으로 상용초전도체와 비슷하게 동위원소 효과가 발견되기도 한다.
- 철기반 초전도체 (Iron-pnictides SC) : 철과 닉타이드 계열 원소[39]를 기반으로 한 초전도체. 구리기반 초전도체와 같이 층상구조이다. 구리기반 초전도체와 비슷하게 철과 닉타이드로 이루어진 층이 초전도성을 나타내며 나머지 층에 의해 초전도성이 달라진다. 위에서 말했던 구리기반 초전도체를 설명했던 SDW모델은 철과 같은 강자성체들이 존재하면 안된다. 따라서 새로운 설명이 필요해 졌고 그로 인해 연구가 되고있는 물질이다. 동위원소 효과가 있으며 강자성체를 함유하고 있다. 철기반 초전도체는 오비탈 정렬 모델(Orbital Ordering ; OO)로 설명을 시도하는 그룹도 있다.
- 무거운 페르미온 초전도체 (Heavy-fermion SC) : 란타넘 계열 원소가 들어간 금속류 초전도체다. 란타넘 계열 원소에는 f 궤도에 전자가 있는데(란타넘(La)만 이 f 전자가 없다.) 이 전자가 초전도를 매개한다고 알려져 있다.(위에서 언급한대로 상용 초전도체는 포논이 초전도성을 매개한다는 것과는 다른 방식이다.) 이러한 종류의 초전도체들은 초전도 임계온도인 Tc가 낮은 LTS에 속한다. 하지만 이 물질에 압력과 같은 튜닝 파라미터를 변화시키면서 반강자성등의 변이점과 초전도 돔의 특성을 살펴보면 구리기반 초전도체와 유사한 점이 보인다. 구리기반 초전도에서의 초전도성은 그 물질의 구조와 특성이 다양하고 복잡하여 이해하기 힘들다. 따라서 비슷한 특성을 보이지만 더 간단한 구조와 특성을 가진 무거운 페르미온 초전도체를 이용하여 초전도체의 본질를 이해하여 구리기반 초전도체의 본질 또한 이해할 수 있을 것으로 많은 물리학자들이 기대하고 있다. 그렇게 되면 상온초전도체를 설계할 수 있는 단서를 얻게되어 실제로 상온초전도체 제작에 한 발 더 나아가는 계기가 될 것이라고 한다.
7. 여담
1986년에 취리히의 IBM 실험실에서 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러는 LaBaCuO라는 35 K에서 초전도 현상을 일으키는 물질을 발견하였고, 1987년에 휴스턴 대학의 폴 츄 교수가 YBCO(YBa2Cu3O7)라는 '''액체 질소에서 초전도 현상을 일으키는 첫 물질'''을 발견했다. 당연히 이들은 이를 당당하게 논문에 게재, 노벨상을 바라보고 있었으나 한 가지 의도된 "작업"을 해 버리는 바람에 상을 놓치고 만다. 그 "작업"이란, 논문에 YBCO의 화학식을 기록할 때, YBa2Cu3O7에서 Y(이트륨)을 Yb(이터븀)으로 표기한 것이다. 이는 YBCO의 제법 자체가 그렇게 어렵지 않아서, 논문을 발표했다가 논문 심사중에 다른 저명한 연구팀이 이걸 만들어서 '''이들의 논문이 먼저 통과되어 버리면''' 그들의 연구가 완전히 허사가 되어버리기 때문이었다.[40] 폴 츄 교수가 성과발표장에 여러 대형 언론사를 불러 언론 플레이를 해버린 것. 이것이 '''도덕성''' 문제로 제기되어, 상을 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러 연구팀만 받아가 버렸다. 하지만 폴 츄의 YBCO 물질은 액체 질소로 구현되는 첫 물질이라는 점에서 역사적으로 큰 의미가 있는 대발견이었다.
초전도체의 경우 통상적으로 온도가 낮을수록 성능이 좋다. 여기서 성능이라 함은 통전전류를 말하는데 2015년 기준 국내 업체에서 생산되는 초전도체의 경우 77 K에서 240 A정도의 성능을 갖지만[41] 30 K에서는 최소한 그 두배정도의 성능을 낼 수 있다.
또한 초전도체에서 중요한 것이 자장특성이다. 초전도체는 자장이 높을수록 그 성능이 낮아진다. 그리고 초전도체를 권선하여 사용하면 전자기유도에 의하여 자체자장이 발생한다. 그래서 선재를 하나만 측정하였을 때 보다 낮은 통전전류를 나타낸다.
HTS에 아직까지 액체질소를 많이 사용하는 가장 큰 이유는 가격이 싸기 때문이다. 액체질소를 실제로 구입해보면 동일량의 생수보다 싸다. 또한 철강업체에서는 철을 제련할 때 사용하는 순산소를 만들때의 부산물로 액체질소가 발생하게 되는데 일단 제련과정에서 딱히 사용하는데가 없으므로 대다수의 업체는 그 액체질소를 가열하여 기체질소로 상변화시킨 뒤에 공기중으로 내보낸다. 그리고 질소는 공기중에 잔뜩 있어서 만들기도 쉽다.
2010년 7월에 황당한 발견이 발표됐는데, 일본의 연구원들이 와인을 마시며 파티를 하던 중 어떤 교수가 "초전도체 실험 때 초전도체를 물, 에탄올 대신 사케(청주)나 와인에 한 번 담그어 보자"라고 농담을 하고 그 말은 들은 연구원들이 장난삼아 해봤는데… 그런데 그것이 실제로 일어났습니다(…) 레드 와인, 화이트 와인, 맥주 순으로 초전도체 전환율이 높다고 한다. 농담이 대발견을 해버린 셈. 관련사이트 일본 물질과학연구소 데구치 케이타는 각종 술에 Fe(Te,S) 라는 물질을 담가 70도씨로 24시간 동안 가열을 했다. 그랬더니 초전도 현상이 생김을 알 수 있었으며 그냥 물과 에탄올로 만든 용액에 가열을 했을 때 보다 더 많은 양의 초전도 상태가 시료 내부에 만들어졌다.관련논문 이들은 더 연구를 진행하여 왜 그런지 이유도 밝혀내었는데, 술의 내부에 존재하는 사과산, 시트르산, 베타 알라닌 등으로 인해 약한 산성의 환경이 생성되는데 이 산성 용액이 Fe(Te,S)에 존재하는 잉여 Fe 이온을 제거해 주고, 잉여 Fe가 제거된 Fe(Te,S)는 초전도 상태가 더 만들어지기 쉬운 상태가 된 것이다.관련논문 [42]
'''저항이''' 0에 가깝게 떨어지는 바일 금속에 대한 연구가 진행중이다. 낮은 저항으로 얻는 효과는 초전도체와 동일하지만 마이스너 효과가 없어서 자기력을 이용한 기술의 발전에는 사용하기 어렵다.
8. 오해
초전도체는 중학교 2학년 '전류와 자기장' 파트에서 처음 알게 되는데, 하필 그 전에 옴의 법칙을 배운 터라 꼭 I=V/R에 대입해가지고 '분모가 0이잖아요?' 하는 애들이 많이 보이는데, 일부 강사들은 '저항이 0에 가까운 것이지 완전히 가까운건 아니란다' 라는 식으로 얼렁뚱땅 넘어가는데 틀린 설명이다.[43]
초전도 현상을 설명할 때에는 런던 방정식을 통해 설명한다. 보통 금속의 전류가 전기장의 세기에 비례하는 데($$ J = \sigma E$$ 옴의 법칙) 비하여, London 방정식은 전류가 벡터장에 비례함을 요구한다 ($$ J = \sigma A $$).
초전도와 관련된 중요한 두가지 실험 결과를 꼽자면 오네스 교수가 1911년 발견한 초전도체가 직류 전류에 대한 전기저항이 0이되는것, 두번째로는 마이스너와 오센펠트가 발견한 마이스너 효과이다
우선 옴의 법칙이란, 금속에서 흐르는 전류는 저항에 반비례하고, 전압에 비례한다는 법칙이다.
$$ \displaystyle I = V/R $$
그리고 금속에 외부에 시간에 따라 변하는 자기장을 걸게 되면, 페러데이가 발견한 대로 금속에 전압이 발생하게 되는데 만약 초전도 주변에 시간에 따라 변하는 자기장을 걸면 초전도의 경우 전압이 걸리면, 저항이 0이기 때문에, 전류가 무한대로 흐를 것이라 생각하기 쉽다.
하지만 실제로는 무한대로 흐르는 전류란 존재하지 않기 때문에, 초전도 내부에는 금속과는 다르게 전압이 걸리지 않아야 하고, 따라서 초전도 내부의 자기장은 항상 고정된 값을 가져야 한다는 것을 알 수 있다.
즉, 1900년대 초 초전도 현상이 처음 학계에 보고되었을 당시 아인슈타인등 당대 이론 물리학자들은 초전도 현상을 단순히 전기 저항이 0인 완전도체로 이해하였고 옴의 법칙을 바탕으로 한 초기 추측은 초전도상태가 되면 초전도 내부에 항상 일정한 자기장이 존재한다는 것이었다.
하지만 1931년 마이스너와 오센펠트는 중요한 실험결과를 논문으로 출간하는데 실제 초전도 현상이 일어날때 초전도체 내부에는 옴의 법칙으로 한 추측과는 다르게 초전도 내부에는 자기장이 존재하지 않는다는것을 발견한 것이다.
이러한 자기적 특성은 실제로 존재하지 않는 가상의 개념인 완전도체와 초전도체를 구별짓는 중요한 성질이다.
옴의 법칙이 법칙이라 불리는 이유는 역사적인 이유에서 법칙이라 불리며 실제로는 항상 성립하는 법칙이 아니다. 일반적인 도체의 경우 옴의 법칙을 이용하여 단순하게 저항과 전류의 관계를 설명하는 반면 초전도체의 경우 런던 방정식을 이용하여 초전도체에 흐르는 전류와 그로인해 발생하는 자기장의 관계를 설명한다. 런던형제는 1935년 이러한 관계를 설명한 논문을 발표하여 초전도체가 임계온도에 도달할때 발생하는 마이스너 효과에 대하여 이론적으로 설명하는데 성공하였다
$$ \displaystyle E = \Lambda dJ/dt$$
$$ \displaystyle B = -\Lambda \nabla \times J $$
https://courses.physics.ucsd.edu/2018/Fall/physics211a/topic/london.pdf
9. 픽션에서 초전도체
- 시드 마이어의 알파 센타우리에서 초전도체(Superconductor) 기술은 핵융합 동력(Fusion Power)을 연구하는 데 필요한 조건이다. 핵융합 동력 기술은 일단 먼저 연구만 하면 게임을 끝내버릴 수 있는, 문명 시리즈 전체를 통틀어서 최고의 사기성 기술이라 게임을 끝내고 싶으면 초전도체 기술을 당연히 연구해야 하는데... 문제는 초전도체의 필요 조건으로 실효성이 별로 없는 소프트웨어 이론 연구를 오랫동안 해야 된다는 것이다. 초전도체 자체는 평범한 공격력 5짜리 무기만을 제공하고, 초반에 필요한 응용 기술은 아예 다른 테크 트리에 있어서 노리고 연구하다가는 말려버린다. 결국 분파의 연구 능력을 한계까지 시험하는 기술이라 볼 수 있다.
게임 내 효과와는 별개로 초전도체 자체는 이야기에서 상당히 중요하게 여긴다. 에너지가 화폐로 쓰이는 사회라, 에너지를 손실 없이 전송하게 해주는 초전도체는 당연히 돈덩어리이기 때문이다.
- 코드 기어스의 세계관에선 상온초전도체를 이용해 동력을 생산한다. 나이트메어외에도 일반 발전소, 교통시설 등 모두 이런 동력기관을 사용하는듯. 이것을 생산하는데 필요한 물질이 사쿠라다이트, 자기장이라든지 이런저런 원리로 이것을 무력화시키는게 게피온 디스터버.
- 아바타(영화)에 언옵타늄(unobtainium/언옵테이니엄 : 이루어질 수 없는)이라는 초전도체가 나온다. 문서 참조.
- 터미네이터에서 나오는 로봇들의 CPU들은 이 초전도체를 이용해서 만든다고 한다.
- 문명: 비욘드 어스에서 우월의 주요 자원인 파이락사이트가 상온 초전도체다.
- 레일건(리니어건)이나 퀜치건 등이 등장하는 작품들에는 초전도체도 등장하는 셈이다. 전자기력을 이용한 초고속 총포류는 총열/포신이 초전도 상태가 아니면 저항으로 인한 고열로 인해 총열이 증발해버리기 때문이다.
- 존 오브 디 엔더스 시리즈에서는 메타트론이라는 이름의 고온 초전도체가 등장한다. 엄밀한 의미에서의 상온초전도체는 아니긴 하지만, 아상온초전도체라고 해도 좋을 정도로 상온초전도체에 가까운 성질을 갖고 있다는 설정.
[읽기주의] 마이'''너스''' 효과가 아니라 마이'''스너''' 효과다! 읽고 쓸때 주의하자. 특히 내신이나 대입 면접 준비하는 고등학생들은 유의하자.마그누스 효과와도 자주 헷갈린다.[1] Steven H Strogatz,'Sync:the emerging science of spontaneous order',Hyperion books,2004.[2] 0K = -273.15℃, 273.15K = 0℃[3] 수은을 선택한 이유는 상온에서 액체상태이므로 다른 물질에 비해 높은 순도를 얻기 쉬웠기 때문이다.[4] 교류전류는 손실이 발생한다[5] 신뢰성 있는 출처 : http://web.yonsei.ac.kr/superlab/charac.html[6] 같은 이유로 외부 자기장이 존재하거나 전류가 흐를 때는 임계온도가 낮아진다[7] 보통 초전도 케이블은 금속 관으로 감싸는 경우가 흔하므로 송전탑에 설치된 전선보다 기생 커패시턴스가 크다.[8] 참고로 이건 반자성이 일어나는 원리이기도 하다.자성 문서에 설명되어 있듯이, 보통 굉장히 약하다. 철같은 강자성체나 산소같은 상자성체는 아예 딱 붙어버리고, 금이나 물 같은 일상에서 흔히 볼 수 있는 반자성체도 공기저항과 마찰력을 0으로 만들지 않는 이상...자세한 설명은 생략한다[9] YBaCuO. Yttrium Barium Copper Oxide의 줄임말. 액체 질소 만으로 초전도성을 보인 최초의 물질.[10] 하지만 YBCO 와 같이 2형 초전도체의 경우 양자화된 자기선속이 침투하여 이와 같은 현상을 일으키기에 완전한 마이스너 현상이라고는 볼 수 없다. 이런 상태를 mixed 상태라고 한다.[11] 준입자 문서에 나열되어 있는 수많은 준입자들이 그 예라고 할 수 있다.[12] 애초에 고체물리학 자체가 양자역학 이후로 제대로 정립되었다[13] 이 사람은 트렌지스터로 한 번, 초전도체로 한 번, 노벨상을 총 두 번 받았다.[14] 쉘든 리 쿠퍼의 모델인듯? 하지만 얘는 통일장 이론 하지 않았냐?[15] 실제로 이 것을 설명하는 여러 문서에서도 infinitesimally small이라고 서술하고 있다.[16] '쿠퍼 불안정성'으로 해석 가능.[17] 참고문헌 필요.[18] '음의 벽 에너지'(?). Introduction to superconductivity 2nd Ed. Michael Tinkham[19] 사실 MRI 자체가 nuclear Magnetic Resonance Imaging 이다.[20] 다만, 비터 마그넷이라고 하여 구리를 냉각수로 냉각하면서 강제로 전류를 때려넣는 방식으로 45 T를 만드는 미친 방법도 가끔 있긴 있다. 그리고 순간적으로 높은 펄스 자기장을 만들면 이야기가 좀 다르다. 구리도선으로 만든 전자석에 순간적으로 대전류를 흘려 수십 T를 만들기도 한다. 그리고 원턴 코일이라는것이 있는데 코일은 코일인데 한바퀴만 돌아간다. 그리고 이 코일이 견딜 수 없을 만큼 높은 전류를 주면 순간적으로 100 T이상을 만들어내고는 터져버린다. 이 실험을 하는 연구소에 가면 터진 원턴 코일들을 재활용하기 위해 쌓아놓은것을 볼 수 있다. 그리고 역사상 가장 큰 자기장은 러시아에서 만들어 냈는데 코일로 자기장을 만들고 코일 외부에 폭약을 터뜨려 코일이 내부로 찌그러 지면서 1000 T 이상을 만들어 내었다. 펄스 자기장 설비는 기본적으로 돈이 많이 들고 더 첨단기술이므로 국내에는 없다. 높은 자기장을 원하는 연구자들은 가까이는 일본 도쿄, 멀리는 독일 드레스덴이나 미국 플로리다, 로스 알라모스 등지에 가서 실험을 하고 온다. [21] 다만, 한국의 전력 제공 품질이 중국 같은 도전적인 시도를 하는 국가들에 비해서는 너무 높은지라, 새로운 기기가 들어와서 사소한 문제라도 일으키면 매우 골치아픈 일이 발생하므로, 매우신중하게 검토하고 있다.[22] 본 문서에서 BCS이론에서 이야기하는 전이온도의 상한선이 40 K이라고 하면서 왜 이건 203 K이냐 잘못된 것 아니냐고 반문 할 수 있다. BCS이론에서 쿠퍼쌍의 매개체는 포논이다. 이 포논이라는 것이 고체를 이루는 이온들의 진동이다. 따라서 쿠퍼쌍을 묶어주는 힘은 이 이온들의 진동수가 크게 관련되어 있다. 이 물질에서 수소가 굉장히 가볍기 때문에 아주 강한 인력을 만들어 낼 수 있게 되는 것이다. 수소처럼 가벼운 물질로 이루어진 초전도체에서 임계온도가 높을 것이라는 것은 이론적으로 이미 예측되어 있었으나 이 실험으로 관찰한 것이다. 관련 기사 [23] 근데 한국형 Tokamak인 KSTAR의 TF코일은 Nb3Sn기반을 썼다. 공밀레의 대표사례로 추가해도 될 듯? 튜브안에 나이오븀과 주석을 파우더 형태로 넣고 튜브를 원하는 모양으로 만든다. 그 후에 열처리를 하여 만드는 방법이다. 근데 NbTi에 비해서 어렵다는것이지 아직은 이 방법이 용이해서 다른 초전도체가 나이오븀 계열 초전도체를 이길 수 없다.[24] 매우 낮은 온도인 -180℃이하를 고온이라 하는 이유는.... BCS이론에 따라 초전도성이 나타날 수 있는 최대 온도는 40K정도로 예측하고 있었다. 그러나 후에 구리기반 초전도체를 시작으로 이 온도를 뛰어넘는 여러 초전도체들이 발견되었다. 따라서 BCS이론의 한계온도인 40K보다 높은 전이온도를 갖는 초전도체를 고온초전도체라고 부른다.[25] 여담으로 이런 샘플로 특정 조건의 실험을 하려면, 그에 상응하는 전류 공급원이 있어야 하는데 대학 랩에는 대개 그런 전류원이 없다. 임계전류밀도 측정 같은 경우 폭을 줄여서 해결할 수 있다. 폭을 줄일 수 없다면 회사에 "우리 측 실험실 사정이 안 좋으니 임계전류 낮은 샘플이 있냐?"고 문의해야만 한다.[26] 케이블 수송효율 및 코일식 변압기의 변전효율이 100%가 된다. 그러나 직류 송전을 하지 않는 한 송전선과 대지 사이의 커패시턴스와 송전선 자체의 인덕턴스로 인한 교류 전력의 손실은 발생할 수 있다.[27] 단, 원활하게 써먹을 수 있으려면 공기에 노출되었을 때에도 초전도 성질을 잃지 않는 것이어야 하며, 만약 공기에 노출될 시 초전도 성질을 잃는다면 공기차단을 위해 피복따위로 감싸고 나서 내부를 진공상태로 만들고 유지해야한다는 문제점이 존재한다.[28] 실제로 구리 전선을 무단으로 잘라서 훔쳐다 파는 식의 범죄는 꾸준히 있어왔다.[29] 토머스 에디슨의 직류 송전은 구리선을 이용하였기 때문에 발전소로부터 1~2 km 내로만 송전이 가능했으나, 만일 초전도체를 사용하였다면 훨씬 더 멀리 보낼 수 있었을 것이다.[30] 다만 교류로 전송할 경우 효율이 떨어지며 직류로 전송해야 한다. 이미 대용량 직류 송전기술은 개발되어 있다.[31] 태양빛이 강하거나 바람이 세게 부는 곳 등.[32] 네오디뮴 자석이 1T 근방이다.[33] 구리선으로도 일정한 자기장이 아닌 펄스형태의 자기장은 수 십~수 백 T 까지 생성이 가능하다. 다만 펄스형태라 실제 사용에 필요한 장비를 만들기 어렵다.[34] 집적도를 줄이는 것은 어렵다. 현재도 양자 터널링 현상 등을 신경써야 할 만큼 회로가 가늘다.[35] 다만 이러한 개선은 집적회로로 가공 및 제조가 가능한 소재로 상온 초전도체가 나왔을 때에만 가능하다.[36] 참고로 지구 내핵의 압력이 대략 330 ~ 360GPa. 1기압이 약 0.1MPa이므로 해당 이론이 맞는다면 대략 '''대기압의 400만배'''(...)를 가해야만 한다는 것.[37] 고온 초전도체를 항시 유지하려면 액체 질소를 무한히 공급해야 하는데 이는 적지 않은 에너지를 계속 소비해야 한다는 의미이다. 즉, 열역학적으로 효율이 매우 나쁘다.[38] 말이 그렇지 현재로선 최소 100분의 1 정도는 줄여야 한다.[39] 대부분 비소(As)이다.[40] 지금은 많이 줄었다고 생각할 수 있지만, 지금도 고체물리학에서 샘플을 만드는 쪽 사람들은 이런 일 때문에 피말리는 경쟁을 하고 있다. 게다가 학계라는 곳이 그렇게 넓지도 않기 때문에...[41] 한국에서 통전 가능한 전류는 미친듯이 빨리 올라가고 있다. 연도를 꼭 표시해주자. 240 A는 4 mm 선재 기준이고, 12 mm 선재는 저거의 거의 딱 3배 나온다.(...) 임계전류말고 임계전류밀도를 표시하면 해결될 일이다. [42] 사실 논문이 없으면 믿기 어려운 이야기다. 왜냐하면 실제 초전도 실험에서 초전도체를 물이나 에탄올에 넣지 않는다. 초전도 현상은 저온에서 나타나는 현상이므로 물이나 에탄올은 저온으로 만드는데 아무 도움이 안된다. 직접 열전달 형식으로 냉각 시킬때( ex) Closed Cycle Refrigerator)는 진공에서 실험을 하며 가스 형식으로 냉각 할 때 (ex) Physical Property Measurement System(PPMS))도 진공을 우선 만든다. 아니면 고온 초전도체를 실험 할 때는 직접 액체 질소에 담그어서(!) 실험한다. 일본의 고자기장 연구소인 ISSP(Institute of Solid State Physics)에서는 샘플 자체를 액체 핼륨에 담그고 실험한다. 프로브 자체가 투명한 유리어서 액체헬륨을 눈으로 직접 볼 수 있다. 그런데 실험에서 물이나 에탄올 대신 사케나 와인에 담그었다는 이야기는 측정관련에서는 도저히 말이 안되는 이야기이고 제작과정에서도 알코올에 넣는 과정이 있는건 에칭과정 등에서 세척에 사용하지 않는 이상 이상한 이야기이긴 하다. 여러가지 화합물은 대부분 산소나 수분이 주적이기 때문에 샘플의 보관도 진공챔버(데시케이터)에 보관하므로 물에 담근다는 것도 믿기 어려운 이야기다. 하지만 관련 참고문헌이 있으므로 어느 정도 신빙성 있는 이야기가 된다. 실험 방법에 대한 서술이 유용하다고 생각하여 주석으로 남겨둔다.[43] 사실 완전히 틀린 셜명이라고는 할 수 없다. 초전도체에는 상술했듯이 저항이 수학적으로 완전히 0은 아니다. 다만 폐회로 형성 실험에 의해 '''물리적으로 의미를 가지지 않는다.''' 전자가 질량을 분명히 갖고 있지만 그 어느 거시적인 과학식에서도 이를 고려하지 않는 것과 비슷한 논리라고 보면 된다.