초전도체란 무엇인가?

초전도체는 특정 온도와 조건에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 보이는 물질을 말합니다. 이러한 물질은 특정 온도, 즉 해당 물질의 "임계 온도" 이하에서는 전기 전류를 흐르게 할 때 저항이 없어지는 특성을 갖추고 있습니다.

일반적으로 물질은 전기 전류가 흐를 때 저항을 가지며, 이 저항은 전류의 흐름을 방해하고 전력을 소모하게 됩니다. 그러나 초전도체에서는 전기 전류가 흐를 때 이러한 저항이 사라져서 전기가 흐르는 데 거의 에너지가 소비되지 않습니다. 이러한 특성으로 인해 초전도체는 전기 에너지의 효율적인 저장과 전기 송전에 유용하게 사용될 수 있습니다.

초전도체는 1911년에 네덜란드의 물리학자 헤이크 카메를링 온네스에 의해 처음으로 발견되었습니다. 초전도체의 임계 온도는 각 물질의 구조와 특성에 따라 다르며, 일부 물질은 저온에서 초전도 상태를 나타내고, 다른 물질은 상대적으로 더 높은 온도에서도 초전도 상태를 보입니다.

초전도체의 발견과 연구는 높은 온도에서의 초전도 상태를 이해하고 활용하는 데에 중요한 기여를 하였으며, 이러한 연구로 노벨 물리학상이 수여되었습니다.

1987년, 노르웨이의 미카일 카링, 독일의 요르그 뮈트체르스와 러시아의 게오르기 베드노로즈, 그리고 2021년, 영국의 피터 호바드가 고온 초전도체의 발견과 이해를 인정받아 노벨 물리학상을 수상하였습니다.

미카일 카링, 요르그 뮈트체르스, 게오르기 베드노로즈는 1986년에 높은 온도에서 초전도 상태를 나타내는 재료인 구연산 바륨과 소금을 사용한 새로운 초전도체를 발견하고, 이러한 고온 초전도체의 발견은 연구자들이 초전도체를 이해하고 응용하는 데에 큰 동기를 부여하였습니다.

피터 호바드는 2021년 노벨 물리학상을 수상한 이유는, 산화물 형태의 높은 온도 초전도체에 대한 기초 연구로서의 공헌과 고온 초전도체 연구 분야에 대한 혁신적인 접근과 기여를 인정받았습니다. 그의 연구는 새로운 초전도체 재료의 개발과 이해에 기여하였으며, 이러한 연구는 초전도체 응용 분야에 많은 영향을 미치고 있습니다.

초전도체는 일상생활에서 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 초전도체의 주요 특성인 전기 저항이 없어지는 현상은 전력 손실을 최소화하고 효율성을 높여주는데 크게 기여합니다. 이로 인해 초전도체는 다음과 같은 일상생활에서 활용되고 있습니다:

1. 자기공진장치(MRI): 의료 분야에서 가장 잘 알려진 초전도체 응용은 자기공진장치(MRI)입니다. MRI는 인체의 내부 구조를 촬영하는데 사용되며, 초전도자체가 강력한 자기장을 생성하는 능력을 가지기 때문에 정교한 이미징을 가능케 합니다.
2. 자기 부력열차: 초전도 기술은 자기 부력을 이용하여 작동하는 부력열차 등의 교통 수단에도 사용됩니다. 자기 부력열차는 지상 또는 지하를 따라 부력을 이용하여 움직이기 때문에 속도와 에너지 효율성 측면에서 우수합니다.
3. 전력 전송: 초전도체는 전력 전송과 저장 시스템에서 사용될 수 있습니다. 저온에서 작동하는 초전도체는 전기 전송 시스템에서 전력 손실을 최소화하고, 높은 용량의 전기 에너지를 저장하는데에 사용될 수 있습니다.
4. 고속 기기: 초전도체는 고속 데이터 처리를 필요로 하는 기기와 시스템에서도 사용됩니다. 고속 통신 기기나 컴퓨터 등에서 초전도 기술을 적용하여 전력 소모를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
5. 기상 예측 시스템: 일부 기상 예측 시스템에서 초전도기술을 사용하여 높은 정확도의 센서와 계측 장치를 구현하고, 기상 데이터 수집과 분석에 활용됩니다.