초전도 이론과 역사에 대해 알아보자

초전도 이론

초전도 이론은 확정된 것이 아니고 완전하게 열려있는 상황이다. 초전도체의 원리를 설명하기 위해 많은 노력이 있어 왔다. 1950년대에 이론 응집물질물리학자들은 한 쌍의 중요한 이론에 의해 일반적인 초전도체에 대한 확고한 이해에 도달했다고 생각했었다. 이 두 이론은 현상론적인 긴즈부르크-란다우 이론(1950)과 미시적인 BCS 이론(1957)이다. 1986년 bcs이론에서 불가능하다고 여겨졌던 30K 이상의 임계온도를 가지는 초전도체가 발견된 이후 bcs 이론에 대한 의문이 커졌다. 그러므로 고온초전도체는 물론이고 금속 초전도체에도 적용될 수 있느냐 하는 의문이 있다.

일반 도체의 원자핵과 전자의 에너지 분포

에너지 띠틈

초전도체에서는 페르미 에너지 준위를 기준으로 약간 위와 약간 아래에 전자가 존재할 수 있는 영역이 한정적으로 허용된 전자의 에너지 띠에 띠틈이 있다. 이는 초전도체 시료를 주사 터널 현미경으로 전기전도도의 미분값을 관찰하여 얻을 수 있다. 또한 1990년대 이후 연구된 고온 초전도체의 경우에는 초전도 현상을 보이지 않는 온도 범위에서도 이러한 띠틈이 존재한다. 이를 유사틈(pseudogap)이라고 부른다. 이 유사틈이 상온 초전도에서 관련이 있어 보여 매우 중요하다.
초전도체와 일반 고체(부도체 혹은 도체) 사이에 상전이가 일어날 때 전기전도도가 무한대가 되는 것과 함께 전자들의 에너지 분포가 바뀐다. 일반 도체일 때에는 전자의 에너지 준위가 페르미 에너지 준위를 중심으로 연속적으로 분포한다. 즉, 전자는 페르미 에너지를 중심으로 어떠한 에너지 값을 가져도 된다. 

역사

최초의 초전도체(고체 수은의 저항 측정 도중 발견)

최초의 초전도체는 1911년 헤이커 카메를링 오너스가 고체 수은의 저항을 당시 발견된 액체 헬륨을 이용하여 저온에서 측정하는 도중 발견하였다. 4.2K의 온도에서 그는 저항이 갑자기 사라지는 것을 관찰하였다. 이후 초전도체는 여러 다른 물질에서 발견되었다. 1913년 납의 초전도가 7K에서 발견되었고, 1941년에는 질화 나이오븀(NbN)의 초전도가 16K에서 발견되었다. 초전도체를 이해하는 그다음 중요한 진전은 1933년 발터 마이스너와 로베어트 오흐젠펠트(독일어: Robert Ochsenfeld)가 마이스너 효과로 알려진 초전도체가 자기장을 밀쳐내는 것을 발견한 것이었다. 1935년 프리츠 론돈(독일어: Fritz London)과 하인츠 론돈(독일어: Heinz London)은 마이스너 효과가 초전도 전류가 운반하는 전자기적 열역학적 자유 에너지를 최소화하려는 데에서 나타난다는 것을 보였다.

긴즈부르크-란다우 이론

1950년에, 레프 란다우와 비탈리 긴즈부르크가 초전도체의 현상론적인 모형인 긴즈부르크-란다우 이론을 발표하였다. 란다우의 2차 상전이 이론을 슈뢰딩거 방정식과 결합한 이 이론은 초전도체의 거시적 성질을 설명하는 데 큰 성공을 거두었다. 한편 알렉세이 아브리코소프는 긴즈부르크-란다우 이론이 초전도체가 제1종과 제2종으로 불리는 두 종류로 구분됨을 예측하였다. 아브리코소프와 긴즈부르크는 그들의 공로로 인해 2003년 노벨상을 받았다. (란다우는 1968년 사망하였다) 또 1950년에는 맥스웰과 레이놀즈 등이 초전도체의 임계온도는 그 구성 원소의 동위원소 질량에 따라 변할 수 있음을 보였다. 이 동위원소 효과 발견은 당시에 전자-포논간 상호작용이 초전도 현상의 미시적 메커니즘임을 오도(잘못된 길로 이끎)하게 하였다.

BCS 이론(쿠퍼쌍의 초유체로 설명, 초전도 현상의 미시적 설명)

1957년에 존 바딘과 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 초전도 현상을 미시적으로 설명하는 이론인 BCS 이론을 제안하였다. 이는 발견자들의 이름 머릿자를 딴 것이다. 니콜라이 보골류보프 또한 1958년에 독립적으로 기본적으로 같은 이론을 발표하였다. 이 BCS 이론은 초전도 전류를 쿠퍼쌍의 초유체로 설명하였다. 쿠퍼쌍은 포논의 교환에 의해 상호작용하는 전자들의 쌍이다. 1972년 저자들은 이 업적으로 노벨상을 받았다. BCS 이론은 1958년 니콜라이 보골류보프가 원래는 여러 가지 논증으로 유도되는 BCS 파동함수가 전자의 해밀토니언을 정준변환하여 얻어질 수 있음을 보임에 따라 서로 강한 연관이 있음을 보였다. 1959년에 레프 페트로비치 고리코프(러시아어: Лев Петрович Горьков)는 BCS 이론이 임계 온도 근처에서 긴즈부르크-란다우 이론으로 환원됨을 보였다.

최초의 상업용 초전도 전선

같은 해에 브라이언 데이비드 조지프슨은 초전도 전류가 얇은 부도체층으로 분리된 초전도체 사이를 흐를 수 있다는 중요한 이론적 예견을 하였다. 조지프슨 효과라 불리는 이 현상은 초전도 양자 간섭 장치와 같은 초전도를 사용하는 기계에 이용된다. 1962년 웨스팅하우스는 최초의 상업용 초전도 전선을 나이오븀-타이타늄 합금을 사용하여 개발하였다. 초전도 양자 간섭 장치는 양자 자기 선속(Φ0=h/2, 이 값의 역수를 조셉슨 상수라 함)을 가장 정확하게 측정하는 데 쓰인다. 또한 양자 홀 비저항(Quantum Hall resistivity) 값(폰 클리칭 상수, R_k=h/e^2)과 결합하여 플랑크 상수 h를 측정하는 데에도 쓰인다. 조지프슨은 이 연구로 1973년 노벨 물리학상을 받았다.