초전도체 부상 실험 키트로는 물체가 떠 있는 모습 이상의 현상을 관찰할 수 있습니다. 자속 고정(Flux Pinning)은 자석과 제2종 초전도체의 상대적인 위치를 안정적으로 유지하도록 합니다. 이를 이해하려면 마이스너 효과와 함께 자기 소용돌이도 살펴봐야 합니다.
모든 초전도체가 자기장을 완전히 밀어내지는 않습니다
지난 글에서는 초전도체가 내부의 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 살펴봤습니다. 하지만 초전도체가 모두 자기장에 같은 방식으로 반응하는 것은 아닙니다.
초전도체는 보통 제1종과 제2종으로 나눕니다. 제2종 초전도체에서는 외부 자기장이 충분히 강해지면 자속이 작은 양자화된 소용돌이 형태로 내부에 침투할 수 있습니다.[2] 초전도 상태와 자기 소용돌이가 함께 존재하는 영역을 혼합 상태라고 합니다. 이 소용돌이가 자속 고정을 이해하는 핵심입니다.
아브리코소프와 자기 소용돌이
1950년대, 소련의 물리학자 알렉세이 아브리코소프(Alexei A. Abrikosov)는 긴즈부르크–란다우 이론을 발전시켜 제2종 초전도체에 자속이 소용돌이 형태로 침투할 수 있음을 보여줬습니다.[2]
이 소용돌이들은 규칙적인 배열을 이룰 수 있으며, 이를 아브리코소프 소용돌이 격자라고 부릅니다. 초전도 현상과 자속이 언제나 서로를 완전히 배제하는 것은 아니라는 사실을 이해하는 데 중요한 진전이었습니다. 알맞은 조건에서는 둘이 제2종 초전도체 안에 함께 존재할 수 있습니다.
아브리코소프는 초전도체와 초유체 이론에 대한 선구적인 공로로 비탈리 긴즈부르크(Vitaly Ginzburg), 앤서니 레깃(Anthony Leggett)과 함께 2003년 노벨물리학상을 받았습니다.[2]
자속 고정이란 무엇일까
제2종 초전도체 안의 소용돌이는 반드시 한자리에 고정되어 있는 것은 아닙니다. 전류에 의해 소용돌이가 움직이면 에너지가 소모되고 전기저항이 나타날 수 있습니다. 따라서 소용돌이의 움직임을 억제하는 것이 중요합니다.[3]
실제 초전도 소재는 완벽하게 균일한 결정이 아닙니다. 결함, 불순물, 결정립 경계와 여러 불규칙한 부분이 있습니다. 이런 부분은 고정 중심(Pinning Center)으로 작용할 수 있습니다.
자기 소용돌이가 이곳에 붙잡혀 자유롭게 움직이지 못하는 현상을 소용돌이 고정 또는 자속 고정이라고 합니다.[3]
공중에서 위치가 고정되는 이유
소용돌이가 초전도체 안에 강하게 고정되면 초전도체와 자석 사이의 자기적 관계를 바꾸려는 움직임에 저항합니다. 그 결과 둘은 안정적인 상대 위치를 유지할 수 있습니다.
알맞은 조건에서는 자석이 초전도체 위의 특정 높이에 머물거나 방향을 유지합니다. 위치를 바꾸더라도 원래 형성된 상대적인 위치로 돌아가려는 성질을 보이기도 합니다. 이를 소용돌이 고정이 만들어내는 일종의 위치 기억이라고 설명합니다.
영상으로 보는 자속 고정
아래 실험은 초전도 시스템의 소용돌이 고정과 위치 기억을 보여줍니다. 물체가 떠 있는 모습뿐 아니라, 특정한 상대 위치를 유지하거나 되찾는 모습을 살펴볼 수 있습니다.
영상: 초전도체의 자속 고정에 의한 위치 기억
제작: Jubobroff
출처: Wikimedia Commons
이용허락: CC BY-SA 3.0
변경 사항: 없음
이 영상은 제작자가 직접 만든 저작물로 Wikimedia Commons에 공개했으며, 크리에이티브 커먼즈 저작자표시–동일조건변경허락 3.0 라이선스가 적용됩니다.
마이스너 효과와 자속 고정의 차이
두 현상은 모두 초전도와 관계가 있지만 의미는 다릅니다. 마이스너 효과는 적절한 자기장 조건에서 물질이 초전도 상태에 들어갈 때 내부의 자속을 밀어내는 현상입니다. 자속 고정은 제2종 초전도체의 혼합 상태에서 내부의 자기 소용돌이가 결함 등의 고정 중심에 붙잡히는 현상입니다.
따라서 ‘마이스너 효과 때문에 떠 있다’는 설명만으로는 안정적인 부상의 모든 특징을 설명할 수 없습니다. 초전도 시스템이 일정한 위치나 방향을 안정적으로 유지한다면, 자기 소용돌이와 자속 고정이 특히 중요해집니다.
실험 시연을 넘어 실제 소재의 성능으로
전류가 흐를 때 소용돌이가 움직이면 에너지 손실이 생길 수 있습니다. 자속을 얼마나 효과적으로 고정하느냐는 초전도체가 큰 전류를 안정적으로 전달하는 능력과 밀접하게 연결됩니다.[3]
YBCO 같은 소재에서는 결함과 나노 구조를 도입해 소용돌이 고정을 강화하는 연구가 진행되어 왔습니다. 고정력이 강해지면 소재의 임계전류를 높일 수 있습니다.[4]
작은 자기부상 실험 뒤에는 실제 초전도 기술의 성능과 직결되는 물리가 담겨 있습니다.
참고자료
[1] W. Meissner & R. Ochsenfeld, “Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit,” Naturwissenschaften 21, 787–788 (1933).
영상 출처
Jubobroff, Position memory due to pinning in a superconductor, Wikimedia Commons.
Licensed under CC BY-SA 3.0. No changes made.