초전도체가 뭔지 초등학생도 알기 쉽게 설명해줌.jpg +83 [30]

일단 우주에는 절대영도라는 개념이 있음

이것은 모든 물질들의 운동이 멈춘 온도라서

절대로 그 이하로 떨어지지 않음

그래서 절대온도임

그리고 이 절대영도를 0K(켈빈)이라고 칭함

하지만 우리는 아무리 노력을 해도 절대영도에 도달할 수 없다

이유는 하이젠베르크의 불확정성의 원리 때문이다

이 불확정성의 원리를 간단하게 말하자면

입자의 운동과 위치를 동시에 관측할 수 없다는 것이다

예를들면

온도를 내리면 입자의 위치는 극명하게 정확한 위치로 고정된다

반대로 입자의 위치가 확실하게 판명되면 입자가 포함한 운동에너지의 상태 폭은 매우 넓게 된다

이말인즉슨

입자가 양자적으로 입자가 진동하고 있다는 말이다

입자의 위치를 매우 높고 정밀하게 고정한다고 해도

양자적 특성에 의해 입자의 진동은 커진다

정리한다면 입자는 입자인 동시에 파동의 성질을 가지고 있고

입자가 입자로서 존재하는 이상

그 파장은 0이 될 수는 없다

이것이 물질이 절대영도에 도달 할 수 없는 이유이다

한편 절대영도에 도달하지 않아도 온도를 계속 내리면

물질에 기묘한 현상이 발생하기 시작함

그것이

보스-아인슈타인 응축임

이걸 설명하기 위해 빛을 예로 들겠음

빛의 정체는 광자임

광자는 한창 유게에서 이중슬릿으로 유명해져서

입자와 파동 두가지 성질을 가지고 있는건 누구나 알거임

물론 입자와 파동 두 성질을 모두 가지고 있는건 광자뿐만이 아님

이세상의 모든 물질들은 모두 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있고

이 파동에 대해서는 '물질파'라고 부름

예를들면 님 앞의 스마트폰도

파동의 성질을 가지고 있음

파동에는 파장이 있고

그 파장은 질량과 스피드와의 관계에 있다

따라서

눈 앞의 스마트폰이 무거우면 무거울수록

파동의 파장은 짧고

스마트폰을 움직였을때

그 스피드가 빠르면 빠를수록

보다 파장이 짧아진다

하지만 아무리 물질에 파동의 성질이 있다고 해도

그 파장은 너무나 작고 관찰 할 수 없음

하지만 미시세계에서는 예외임

입자가 가벼울수록 또한

입자의 스피드가 느릴수록

그 파장은 길어지고 관측할 수 있게 됨

이짤은 보스-아인슈타인 응축을 잘 보여주는 영상임

보통 입자는 고속으로 이동하기 때문에 파장이 매우 짧고

입자로서 관찰됨

여기서 서서히 온도가 내려가면 입자의 스피드가 느려지고

입자의 파장은 길어지고 파동의 성질이 나타남

그리고 온도가 내려갈수록 그 영향이 커짐

온도가 더 내려가면

결국 파동끼리 겹쳐지기 시작함

모든 입자의 에너지 준위가 최저로 떨어지면

각 입자는 마치 한점에 모인것처럼 행동함

이 현상을 보스-아인슈타인 응축이라고 함

이 보스-아인슈타인 응축이 되려면 조건이 필요함

그것은 바로 입자가 보스 입자여야 한다는 것

세상의 입자는 두가지로 나눠진다

페르미 입자와 보스 입자로 말이다

그럼 페르미 입자는 뭔가

여러가지 요소들이 있지만

여기서 우리들이 필요하게끔 정리하자면

구성하는 입자의 갯수가 홀수라는 것이다

예를들면 전자

전자는 한개의 알맹이로 구성되기 때문에 페르미 입자임

또한

헬륨3도 양성자2 중성자1 전자2 총 7개

즉 홀수라서

페르미 입자라고 할 수 있음

페르미 입자에는 법칙이 있어서

동일한 양자 상태를 2개이상의 입자가 점 할 수 없음

이것이 파울리의 배타원리라고 부름

이걸 아까 온도에 적용한다면

온도를 낮춰도 모든 입자들이 동일한 에너지 준위가 될 수 없다

따라서 보스-아인슈타인 응축을 발생시킬 수 없다

반대로 보스입자의 경우는 어떨까?

보스입자는 구성하는 입자의 수가 짝수인 입자

얘네들은 보스-아인슈타인 응축을 발생시키지만

어디까지나 미시세계 속 이야기일 뿐이고

우리들이 실감할 일은 없다

하지만 우리들을 실감 시킬 수 있는 물질이 존재한다

대표적인게 바로 헬륨4이다

헬륨4는 풍선이나 목소리 변조 같은데 쓰는 정말 일반적인 헬륨임

모든 가스는 온도를 낮추면 액체가 되고

더 낮추면 고체가 된다

한편 헬륨은 아무리 식혀도 고체가 되지 않음

그럼 액체 헬륨을 계속 더 식히면 어떻게 될까?

헬륨4는 짝수의 입자로 구성되어 있는 보스 입자라서

온도가 2.17K이 되면

헬륨 원자 하나하나의 파동이 겹쳐서

하나의 상태가 되어버려짐

그러면 액체 헬륨은 기묘한 상태가 되어버림

우선 점성이 0이 되어버림

완전히 찰랑거리는 액체임

점성이 완전히 없기 때문에

원자 사이즈의 작은 구멍을

그대로 뚫고 나와버림

그리고 액체 헬륨을 회전시키면

그 회전은 영원히 계속되고

용기에 담긴 액체 헬륨은

용기의 벽면을 타고

바깥으로 넘쳐버림

이것은 보스-아인슈타인의 미시적 특성이

거시세상에 나타난 현상이며

이 현상을

초유동이라고 함

또한 이러한 극저온에서

또다른 기묘한 일이 발생함

그게 바로 초전도임

아까 초유동은 점성이 0이 되는것이였고

초전도는 전기저항이 0이 되는것임

그럼 왜 전기저항이 0이 되는걸까?

보통 전기는 전자가 전선에서 이동하는 것으로 에너지가 되고 우리는 이 에너지를 이용함

그럼 이 전선을 점점 냉각하면 어떻게 될까?

전자는

보스-아인슈타인 응축에 의해

전자도 마찬가지로 초유동 상태가 되어버린다

즉 전자의 점성은 0

그말인즉슨 전자의 마찰계수가 0이라는 뜻이고

전기저항이 0이라는 뜻이다

한번 이동한 전자는 영원히 이동하게 된다

이게 바로 초전도의 정체임

하지만 여기서 머리좋은 유게이라면 의문이 생길꺼임

'왜 전자는 홀수인 페르미 입자인데 초유동 상태가 될까?'하고

그 이유는 바로

'쿠퍼 페어' 때문임

전선에는 원자의 속박을 벗어난 전자가

자유자재로 이동하고 있음

이 전자를

'자유전자'라고 부름

이 상태에서 전압을 걸면

자유전자는 일정방향으로 이동해

이걸 전류라고 부름

원자의 틈 정확히 말하면

양이온의 틈을 이동하는 전자

한편 원자는 진동하고 있고

온도가 높아질수록 진동은 커짐

이 진동에 의해 전자의 이동이 방해받음

이것이 바로

'전기저항임'

전기저항의 원인이 진동하는 원자 때문이고

진동이라함은 즉슨 열이라는 뜻이기에

온도를 내리면 진동은 작아지고

전기저항도 작아짐

실제로 전깃줄의 온도가 떨어지면 전기저항이 작아짐

근데 온도가 내려가면 여태까지 없었던 현상이 전자에 발생함

그게 바로 '원자의 비틀림'임

전하가 마이너스인 전자를 방출한 금속원자는

양이온 상태가 되어버림

그런 양이온과 양이온 사이를 전자가 지날때

양이온은 전자에게 끌어당겨져서 비틀림이 생김

온도가 높을때 양이온은 격렬하게 진동하고 있기 때문에

전자는 비틀림의 영향을 받지 않음

하지만 온도가 내려가 양이온의 진동이 매우 작아지면

비틀림이 커지고 이 비틀림이

다른 전자에도 영향을 미친다

이 비틀림의 영향으로

한 알맹이로 존재하기 보다는

두알의 한쌍으로 존재하는게 안정적이게 되어버림

이렇게

극저온에서는 전자가 홀수입자가 아니라

짝수입자로서 존재하게 되어버림

이러한 현상을

'쿠퍼 페어'라고 한다

따라서 쿠퍼 페어가 된 전자는

보스 입자로서 움직이기 시작한다

그리고 보스-아인슈타인 응축에 의해 전자는 초유동 상태가 됨

그렇다

특정 물질에 속한 전자는 온도를 낮추면 초유동 상태가 되어버리고

영원히 움직일 수 있게 된다

따라서 전기저항은 0이 되고

이것이 바로 초전도의 정체인 것이고

이런 초전도 상태인 물질을

초전도체라고 한다

다들 이해했지?