데모실험 I

-. 초전도 현상의 하나인 마이스너(Meisner)효과를 실제실험(담당선생님 지도)으로 확인한다.

 

 

  초전도체(Superconductor)             

 

 

1. 초전도체의 특징

 초전도체는 직류 전류에 대해 저항이 전혀 없는 완전도체이다. 가령, 예를 들어, 아래 그림과 같은 초전도체로 된 고리에 전류를 흘려 주면, 초전도체를 따라 흐르는 초전류는 감쇠하지 않고 영원히 흐르게 된다.

 초전도체는, 또한, 외부에서 자기장을 걸어 주면 초전도체 내부의 자속밀도(B)가 0이 되는 완전 반자성체이다. 이러한 반자성 특성은 자기장을 초전도체 밖으로 밀어내는 효과로 나타나는데, 발견자의 이름을 따서 마이스너(Meissner) 효과라고 부른다.

 마이스너효과는, 외부에서 가해진 자기장을 상쇄시키기 위한 전류(차폐전류)가 초전도체에 흘러서 외부의 자석과 반대되는 자극을 만듦으로써 나타나는데, 자기장을 밀어내는 자기부상 효과는 자기부상 열차나 초전도 베어링 등에도 활용될 수 있다.

2. 초전도 현상의 근원

 초전도 현상은 초전도체 내의 자유전자들이 두 개씩 쌍을 이룸으로써 생기는데, 이 전자쌍을 쿠퍼쌍이라고 부른다. 초전도체를 이루고 있는 격자 이온들의 진동이 전자의 움직임과 공명함으로써 쿠퍼쌍을 이루게 하고, 또 이들의 이동에 대해 방해가 되지 않고 저항없이 움직일 수 있게 한다.

이 때, 이온 격자의 탄성이 초전도현상을 나타내는데 결정적인 역할을 하므로, 이온의 성질이나 이온들의 결합구조가 전자쌍을 이루는데 적합한 물질들만이 초전도체가 될 수 있으며, 초전도체들간에도 초전도 현상을 나타내는 조건, 즉, 초전도 임계값들이 차이가 나게 된다. 이온격자의 탄성과 초전도 현상의 밀접한 관계는, 이들 이온이 동위원소로 치환될 경우 생기는 임계온도 변화 등의 동위원소효과에서 명확하게 알 수 있다.

3. 초전도체의 임계값들

 초전도상태와 정상상태 사이에 에너지벽이 존재하는데, 쿠퍼쌍을 이루는 전자들의 운동에너지가 커질수록 에너지벽을 쉽게 뛰어넘을 수 있어서 초전도 현상의 약화로 나타난다. 따라서, 전자의 운동에너지 상승을 가져다 주는 요인, 즉, 온도, 전류, 자기장 등의 크기에 따라 두 상태의 경계면이 결정되게 되는데, 경계면에서 이 값들을 임계온도, 임계전류밀도, 임계자기장 이라고 부른다.


4. 초전도체의 종류

 초전도체를 흔히 저온초전도체와 고온초전도체로 나누는데, 이는 단순히 임계온도의 크기에 따라 분류한 것이다. 초전도 재료의 특성을 바탕으로 구분하면, 금속 초전도체, 산화물 초전도체, 유기물 초전도체등으로 나눌 수 있다.
 금속 초전도체는 다시 한 가지 원소로만 된 원소 초전도체와 두 가지 이상의 화합물 및 혼합물로 된 화합물 및 혼합물 초전도체로 나누어진다. 주기율표 상의 많은 금속 원소들이 저온에서 초전도체가 되는데, 이 중, 대표적인 원소 초전도체로는 니오븀(Nb), 납(Pb), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 등이 있다. 화합물 및 혼합물 초전도체로는 NbTi, NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, NbGeAl, MgB2 등이 있다. 금속 초전도체의 특징은, 임계온도가 낮으며, 금속성 때문에 초전도 특성을 결정하는 변수인 초전도 결맞음길이(superconducting coherence length)가 길어서 웬만한 불순물이나 결합에도 대체로 초전도성이 잘 약화되지 않는 점이다.
 산화물 초전도체는 산화 금속 화합물들로서, 1986년 La2-xBaxCuO4 의 발견을 시작으로 하여 수십 종이 발견되었는데, 그 중 대표적인 것으로는 YBa2Cu3O7, Bi2Sr2Ca1Cu2O8, Tl2Ba2Ca2Cu3O10, HgBa2Ca2Cu3O8, La2-xBa(Sr)xCuO4, 등과 같은 구리 화합물과, BaKBiO3 등과 같은 비구리 화합물이 있는데, 금속 초전도체에 비해 임계온도가 월등히 높아 흔히 ‘고온초전도체’로 불린다. 이들은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 바탕으로 한 복잡한 격자구조를 하고 있으며, 초전도 결맞음길이가 극히 짧아서 불순물이나 구조결함에 초전도 성질이 아주 민감하게 변한다.
  유기물 초전도체로는 k-(BEDT-TTF)Cu[N(CN)2]Br, (BETS)2(Cl2TCNQ), a-(BEDT-TTF)2NH4Hg(SCN)4 등 많은 종류가 있는데, 이들은 매우 복잡한 유기화합물 구조를 하고 있으며, 임계온도가 매우 낮다. 최근에는 DNA 가닥이 극저온에서 초전도성을 보였다는 보고도 있었다.
  금속 초전도체 중 전자의 유효질량(effective mass)이 매우 큰 것들을 중페르미온(heavy fermion) 초전도체라고 따로 분류하는데, UBe13, UPt3등이 이부류에 속한다. 그 이외에도, Pb(Sn)Mo6S8, (Pb, Sn, La)Mo6Se8 등 Mo-S(Se, Te) 화합물의 쉐브럴 상 (Chevral phases) 초전도체가 있고, 정20면체 모양의 C60 풀러렌(fullerene)에 칼륨(K) 등의 금속 이온을 삽입한 풀러렌 초전도체, 그리고 YNi2B2C 과 같은 보로카바이드(Borocarbide) 등도 있다.


5. 초전도체의 응용


초전도체의 응용분야는 보통 응용 물질의 형태에 따라 선재 응용과 박막 응용으로 나눈다. 선재 응용에는 손실이 없는 송전선, 강한 자기장이나 아주 안정한 자기장을 발생시키는 초전도자석, 에너지저장장치, 모터, 발전기 등 많은 전류를 발생 또는 수송하는 전력계통 응용과 초전도 자기부상열차, 초전도추진선박 등 교통분야의 응용 등이 있다. 박막 응용의 경우에는, 박막의 저전류손실 특성을 이용한 수동소자와 조셉슨접합 등 초전도접합을 이용한 능동소자가 있다. 수동소자에는 저손실 고주파통신 등의 응용이 있고, 능동소자에는 지구자기장의 100억분의 1까지도 측정이 가능한 초전도양자간섭장치(SQUID)를 이용한 뇌파나 심장 자기장을 측정하여 의료진단에 활용하는 생체자기응용, 초고속 디지털소자 응용 등이 있다.

 

데모실험

이번 실험에서는 YBaCuO(YBCO) 초전도체(Tc = 90 K)을  액체질소( 63 K)으로 냉각시켜 마이스너(Meisner)효과를 보는 실험이다.

액체질소( - 210 도)는 매우 위험한 물질이다.