초전도성이란?

초전도는 우리 삶의 많은 요소에 사용되는 물리학의 멋진 부분입니다. 과학자들이 상온 및 압력 초전도체를 발견할 수 있다면 기술에 혁명을 일으킬 것입니다. 불행히도 이것은 매우 어려운 작업으로 판명되었으며 전혀 불가능할 수도 있습니다.

초전도성이란?

전기 전도체는 전기를 전도할 수 있는 물질입니다. 각 재료는 전류의 흐름에 대한 반대의 척도인 고유한 전기 저항을 가지고 있습니다. 저항이 높은 재료는 도체가 불량하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

초전도는 물질의 전기 저항이 0인 물리적 현상입니다. 이 상태에는 여러 가지 흥미롭고 유용한 효과가 있습니다. 저항이 없는 초전도체는 전류가 에너지를 잃지 않고 가열되지 않고 통과할 수 있음을 의미합니다. 이것은 완벽하게 효율적인 에너지 전송 및 저장을 가능하게 합니다.

초전도체는 또한 매우 강력한 자석을 생성할 수 있으며, 그 예는 MRI 기계와 입자 가속기에서 찾을 수 있습니다. 실험에 따르면 이 자석의 전류는 강도의 측정 가능한 감소 없이 수년 동안 지속될 수 있습니다. 연구에 따르면 전류는 최소 100,000년 동안 안정될 것이며 일부 추정치는 이 전류가 우주의 예상 수명보다 더 오래 지속될 수 있다고 예측합니다.

자석 위에 놓으면 초전도체는 자석을 밀어내는 동일한 자기장을 형성합니다. 이를 통해 초전도체는 자석 위나 아래 또는 심지어 자석 트랙을 따라 완벽하게 공중에 뜨게 됩니다.

초전도의 요구 사항

물질은 전기 저항이 갑자기 0으로 떨어지는 특정 온도 이하에서만 초전도를 시작합니다. 불행히도 알려진 모든 초전도체는 극도로 낮은 온도에서만 초전도체가 됩니다. "고온" 초전도체는 액체 질소 온도(73K 또는 -200°C) 이상에서 초전도체처럼 행동하는 물질로 정의됩니다. 재료의 전기 저항이 0으로 떨어지는 정확한 온도를 "임계 온도"라고 합니다.

팁: 물리학의 특히 차가운 요소는 일반적으로 켈빈(K) 단위로 측정됩니다. 1켈빈은 섭씨 1도에 해당하지만 켈빈 눈금은 절대 영도 또는 -273.15°C에서 시작합니다.

2020년 현재 발견된 최고 온도 초전도체는 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127로 1기압에서 임계온도가 138K 또는 -135°C이다.

온도는 초전도의 유일한 중요한 요소가 아니며 압력도 많은 초전도체에서 중요한 역할을 합니다. 황화수소(H2S)의 임계 온도는 203K(-70°C)에 불과하고, 10수소란탄(LAH10)은 250K(-23°C)의 임계 온도를 갖습니다. 불행히도, 이러한 물질은 초전도체가 되려면 엄청나게 높은 압력에 있어야 하며, H2S에는 986,923기압이 필요하고 LaH10에는 1,677,770기압이 필요합니다.

팁: 이 척도의 압력은 일반적으로 GPa 또는 Giga-pascal로 측정되며 숫자는 각각 100GPa 및 170GPa입니다. 이 값을 더 쉽게 이해할 수 있도록 대기로 변환했습니다. 1기압은 지구 해수면에서의 평균 기압입니다. 비교를 위해, 지구 바다의 가장 깊은 지점인 마리아나 해구의 챌린저 딥(Challenger Deep)의 압력은 해수면 아래 10,994미터에서 1,071기압입니다.

실온 초전도체의 잠재적인 미래 용도

"실온 초전도체"라는 용어는 273K 또는 0°C 이상의 온도에서 초전도성을 나타내는 잠재적인 미래 재료를 나타내는 데 사용됩니다. 실제 세계에서 특히 유용하게 사용되기 위해서는 이러한 물질이 1기압 또는 그 부근에서 초전도성을 가져야 합니다.

상온 초전도체는 전력선을 통한 장거리 전송 중에 손실되는 전기 에너지를 거의 제거함으로써 세계의 에너지 문제를 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 그들은 또한 더 민감한 과학 센서와 함께 더 빠른 컴퓨터와 메모리 저장 장치를 허용할 것입니다. 입자 가속기, MRI 기계, 프로토타입 핵융합로 및 자기 부상 열차와 같은 장치에 사용되는 초강력 자석을 작동하는 것이 훨씬 더 저렴해질 것입니다. 자석이 작동하기에 충분히 초전도체를 냉각시키는 데 액체 질소가 필요하지 않기 때문입니다.