초전도 현상

전선 속에서 전기가 흐를 때, 전자들은 도선 안의 원자들과 끊임없이 부딪혀요. 이 부딪힘을 '전기 저항(전기 흐름을 방해하는 힘)'이라고 부르는데, 이때 마찰로 인해 열이 발생하고 귀중한 에너지가 공기 중으로 낭비돼요. 스마트폰을 오래 쓰면 뜨거워지고 송전탑을 거치며 전력이 줄어드는 것도 바로 이 저항 때문이에요.

그런데 어떤 금속이나 화합물을 물질에 따라 영하 270도 가까이, 일상적인 압력(상압)에서는 가장 높은 것도 영하 130도 이하의 아주 차가운 온도로 냉각하면 놀라운 일이 벌어져요. 엄청난 고압에서는 영하 20도대에서 초전도가 되는 물질도 보고됐어요. 물질 내부의 원자들이 얌전해지면서 전자들이 부딪히지 않고 부드럽게 짝을 지어 미끄러지듯 통과하기 시작해요. 그 결과 전기 저항이 완벽하게 0으로 떨어져요.

저항이 0이 되면 전기를 한 번 흘려보냈을 때 에너지를 전혀 잃지 않고 영원히 돌게 할 수 있어요. 직류 전류라면 물질마다 정해진 한계(임계 전류)까지는 세게 흘려도 열이 거의 나지 않아서, 엄청난 양의 전기에너지를 손실을 크게 줄여 저장하거나 전달하는 꿈의 기술이 가능해져요(교류에서는 약간의 손실이 생기고, 냉각에도 에너지가 들어요). 다만 이 한계를 넘어서면 초전도 상태가 깨지면서 저항이 다시 살아나요.

초전도 현상이 일어나면 전기 저항만 사라지는 게 아니에요. 초전도 상태가 되는 순간, 이미 물질 안에 들어와 있던 자기장(자석의 힘이 미치는 공간)까지 밖으로 밀어내는 마이스너 효과가 함께 발생해요. 다만 많은 초전도체는 자기장 일부가 가는 다발 형태로 안에 들어와 붙잡히기도 해요.

초전도체 위에 자석을 올려놓으면, 초전도체가 자석의 자기장을 밀어내면서 생기는 반발력 덕분에 자석이 공중에 가볍게 붕 떠올라요. 심지어 초전도체 아래쪽에 자석을 두어도 자석이 떨어지지 않고 허공에 매달린 채 고정돼요. 이렇게 위아래 어느 쪽으로도 고정되는 것은 밀어내는 힘만이 아니라, 자기력선 일부가 초전도체 안에 붙잡혀 버리는 자기선속 고정 덕분이에요. 이런 현상들을 묶어 '자기 부상'이라고 불러요.

한편 초전도체는 저항 없이 큰 전류를 계속 흘릴 수 있어서 아주 강한 전자석(초전도 자석)을 만들 수 있어요. 그래서 병원에서 정밀하게 몸속을 들여다보는 MRI(자기공명영상) 장치나 일부 자기부상열차처럼 강력한 자석이 필요한 첨단 분야에서 핵심 부품으로 쓰여요.

조금 더 정확히 말하면, 초전도 현상은 단순히 원자 진동이 줄어서 일어나는 게 아니에요. 극저온에서 전자 2개가 서로 끌어당겨 '쿠퍼쌍'이라는 특별한 짝을 이루고, 이들이 하나의 거대한 파동처럼 뭉쳐서 움직이기 때문에 장애물에 부딪히지 않는 양자역학 현상이에요.

하지만 지금까지 발견된 대부분의 초전도체는 액체 헬륨이나 액체 질소로 차갑게 얼려야만 작동하는 임계 온도(초전도 현상이 나타나는 한계 온도)가 너무 낮다는 치명적인 한계가 있어요. 이 냉각 장치를 유지하는 데 엄청난 비용과 정밀 기술이 들어가죠.

그래서 전 세계 물리학자들은 특별한 냉각 장치 없이 일상생활의 온도와 압력에서도 작동하는 '상온·상압 초전도체'를 찾기 위해 끊임없이 연구하고 있어요. 만약 상온 초전도체가 상용화된다면 에너지 손실이 적은 송전망, 더 작고 값싼 초전도 자석 등 다양한 분야에 큰 변화를 가져올 것으로 기대돼요.