초전도성 초전도채

자성 물질로 이루어진 정육면체가 초전도체 위를 떠다닙니다. 자석의 장은 초전도체에 전류를 유도하고, 이 전류는 정육면체의 중력과 정확히 균형을 맞춥니다.

대부분의 사람들이 "정상"이라고 생각하는 온도에서 모든 물질은 어느 정도의 전기 저항을 가집니다. 이것은 그들이 좁은 파이프가 물의 흐름에 저항하는 것과 같은 방식으로 전기의 흐름에 저항한다는 것을 의미합니다. 저항 때문에, 전자가 컴퓨터나 휴대폰과 같은 장치의 전자 장치를 통해 이동할 때 열과 함께 일부 에너지가 손실됩니다. 대부분의 물질의 경우, 이 저항은 매우 낮은 온도로 냉각되더라도 유지됩니다. 예외는 초전도 물질입니다. 초전도는 임계 온도 이하에서 냉각될 때 직류 전기가 에너지 손실 없이 전도되는 특정 물질의 특성입니다. 이 물질들은 또한 초전도 상태로 전환될 때 자기장을 방출합니다.

초전도는 자연에서 가장 흥미로운 양자 현상 중 하나입니다. 그것은 100년 이상 전에 액체 헬륨의 온도로 냉각된 수은에서 발견되었습니다. 초기에 과학자들은 초전도에서 무엇이 발생하는지 설명할 수 있었지만, 초전도의 이유와 방법은 거의 50년 동안 미스터리였습니다.

1957년 일리노이 대학교의 물리학자 세 명이 양자역학을 이용하여 초전도의 미시적 메커니즘을 설명했습니다. 그들은 보통 서로 밀어내는 음전하를 띤 전자가 어떻게 Tc 이하에서 쌍으로 형성되는지에 대한 근본적으로 새로운 이론을 제안했습니다. 이 쌍을 이루는 전자들은 포논으로 알려진 원자 수준의 진동에 의해 함께 고정되고, 집합적으로 그 쌍은 물질을 통해 저항 없이 움직일 수 있습니다. 이 과학자들은 이 발견으로 1972년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

반응형

수은에서 초전도성이 발견된 후, 이 현상은 매우 낮은 온도의 다른 물질들에서도 관찰되었습니다. 그 물질들은 몇몇 금속들과 쉽게 전선으로 만들어질 수 있는 니오븀과 티타늄의 합금을 포함했습니다. 전선은 초전도체 연구에 새로운 도전으로 이끌었습니다. 초전도 전선에 전기 저항이 부족하다는 것은 매우 높은 전류를 지원할 수 있지만, "임계 전류" 이상에서는 전자쌍이 붕괴되고 초전도성이 파괴된다는 것을 의미합니다. 기술적으로, 전선은 강력한 자석을 만들기 위한 권선된 코일을 포함하여 초전도체에 완전히 새로운 용도를 열었습니다. 1970년대에, 과학자들은 자기공명영상 (MRI) 기계의 개발에 필요한 높은 자기장을 만들기 위해 초전도 자석을 사용했습니다. 더 최근에, 과학자들은 싱크로트론과 과학 사용자 시설의 가속기에서 전자 빔을 안내하기 위해 초전도 자석을 도입했습니다.

1986년, 과학자들은 금세기 초의 금속과 금속 합금보다 훨씬 높은 온도에서 초전도성을 보이는 새로운 종류의 구리 산화물을 발견했습니다. 이러한 물질들은 고온 초전도체로 알려져 있습니다. 여전히 냉각되어야 하지만, 그것들은 훨씬 더 따뜻한 온도에서 초전도성을 갖는데, 그 중 일부는 액체 질소 (321°F)보다 높은 온도에서 초전도성을 갖습니다. 이 발견은 혁명적인 새로운 기술의 가능성을 가지고 있었습니다. 그것은 또한 과학자들이 상대적으로 높은 온도에서 초전도성을 갖는 물질들을 발견할 수 있을지도 모른다고 제안했습니다.

그 후 많은 고온 초전도 신물질들이 교육된 추측과 시행착오 실험을 결합하여 발견되었는데, 그 중에는 철계 물질도 포함되어 있습니다. 하지만 금속과 금속 합금의 초전도성을 설명하는 미시적 이론이 대부분의 신물질에는 적용되지 않는다는 사실도 밝혀져 다시 한 번 초전도성의 수수께끼가 과학계에 도전장을 던지고 있습니다.

DOE 과학 및 초전도 사무소

DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences는 고온 초전도 물질이 발견된 이후 그것들에 대한 연구를 지원해왔습니다. 그 연구는 초전도의 신비를 풀고 새로운 물질을 발견하기 위한 이론적이고 실험적인 연구들을 포함합니다. 비록 양자역학의 완전한 이해가 아직 발견되지 않았지만, 과학자들은 초전도를 향상시키는 방법들을 발견했고 (임계온도와 임계전류를 증가시키는) 고온 초전도 물질의 많은 새로운 계열들을 발견했습니다. 각각의 새로운 초전도 물질은 과학자들이 어떻게 고온 초전도가 작동하는지를 이해하고 첨단 기술 적용을 위한 새로운 초전도 물질을 설계하는 방법에 더 가까이 접근할 수 있는 기회를 제공합니다.

초전도성 사실

*초전도성은 1911년 하이케 카멀링 오네스에 의해 발견되었습니다. 이 발견, 헬륨의 액화, 그리고 다른 업적들로 그는 1913년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

*초전도성 연구로 다섯 개의 노벨 물리학상을 수상했습니다(1913년, 1972년, 1973년, 1987년, 2003년).

*주기율표에 있는 원소의 절반 정도는 저온 초전도성을 나타내지만, 초전도성을 응용할 때 사용하기 쉽거나 저렴한 합금을 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어 MRI 기계는 니오븀과 티타늄의 합금을 사용합니다.

리소스 및 관련 용어

*에너지 관련 기술을 위한 양자소재에 대한 기초연구 필요성

*초전도를 유용하게 만들기 

*초전도성에 대한 기초연구 요구

*완벽한 효율의 비밀을 깨다 : 초전도체 조사

*과학 하이라이트: 물리학자들이 독특한 초전도 물질의 행동 뒤에 숨겨진 비밀을 밝혀냅니다.