초전도체의 원리에 대해서 자세히 알려주세요
요즘 초전도체에 대해서 많은 궁금증이 생겼는데 어떤 원리의 의해서 작용하며 이것을 연구하기 위해서는 어디 학과를 지원해야하나요
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
초전도체의 원리는 전자들이 일정 온도 이하에서 특정한 방식으로 상호작용하여 전기 저항이 완전히 사라지는 현상인 초전도(超電導, Superconductivity) 현상으로 설명됩니다. 이러한 현상은 일정 온도 이하에서만 나타나며, 이를 초전도 온도라고 합니다. 초전도 원리는 1957년에 Bardeen, Cooper, Schrieffer 세 사람에 의해 발표된 BCS 이론에 기반합니다.
초전도체 원리의 핵심 개념은 다음과 같습니다.
전자-전자 상호작용: 초전도체의 원리는 전자들이 상호작용하여 일련의 페어(쌍)를 형성하는 것으로 시작합니다. 이러한 페어는 블록-쿠퍼 페어(BCS 페어)라고도 불립니다. 일반적인 금속에서는 전자들이 서로의 원자들에 의해 산란되어 전기 저항이 발생하는데, 초전도체에서는 전자들이 서로 페어를 형성하여 서로에게 쌍극력을 주고 받아서 산란이 없어지게 됩니다.
페어의 생성: 초전도체에서 전자들은 크리스탈 구조 내에서 격자진동(포논, Phonon)을 통해 상호작용합니다. 이 격자진동을 매개로 전자들은 서로 결합하면서 BCS 페어를 형성합니다. BCS 이론은 이 페어 결합이 부호가 반대인 두 전자가 동일한 에너지 상태를 가지며, 역학적으로 약하게 결합되어 있다는 것을 설명합니다.
저온 냉각: 초전도체의 초전도 상태를 유지하려면 일정한 온도 이하에서만 동작해야 합니다. 대부분의 초전도체는 수영하 20켈빈(K) 미만의 매우 낮은 온도에서 동작합니다. 이는 페어 결합에 필요한 전자의 에너지 상태와 관련되어 있습니다.