물리학자 김기덕 박사, 양자 시대를 여는 꿈의 물질 초전도체

초전도체 - 양자 시대를 여는 꿈의 물질
김기덕 지음 / 김영사 / 2024년 3월

안녕하세요. 

오늘은 양자 시대를 여는 꿈의 물질 '초전도체'에 대한 책을 소개해 드리려 해요.

최근 상온 초전도체 개발에 관한 기사들이 쏟아져 나왔는데요. 초전도체란 게 도대체 무엇인가 궁금해지더라고요. 상온 초전도체가 개발된 이후의 미래가 궁금하기도 하던 차에 초전도체의 모든 것을 알 수 있는 책이 나왔다고 해서 보게 되었어요. 

저자 김기덕 박사

이 책의 저자는 독일 막스플랑크연구소의 연구원으로 서울대 물리학과에서 석사까지 졸업하고 독일로 건너가 양자 물리학 연구로 박사과정을 득했다고 해요. 손 위에 올릴 수 있는 물질을 만들고 측정하는 실험 물리학자라고 이야기하는데요. 박사 과정 이후 삼성전자 반도체 연구소로 와서 연구를 계속하다 다시 독일 막스플랑크 연구소로 가서 현재는 고온 초전도체를 연구 중이라고 합니다. 

작년에 있었던 상온 초전도체 이슈가 있었을 때 방송과 유튜브 등에 출연해 초전도체를 제대로 알리는데 힘을 썼다고 해요. 

​

나는 훗날 틀린 것으로 밝혀지거나 완벽하지 않더라도 제시된 이론이 있는 것이 중요하다고 생각한다. 

이론이 없다면 연구는 어둠 속에서 주위를 더듬으며 나가는 것과 다름없을 것이다. 

완벽한 이론이 아니더라도 현상을 해석할 수 있는 이론이 있어야 방향성을 갖고 나아갈 수 있다. 

처음에 제시된 이론들은 틀린 경우가 대부분이지만 옳은 이론을 찾기 위한 가증성을 좁힌 것이기 때문에 가치가 있다.

초전도체 이야기

저자는 개인적으로 고체 물리학에서 가장 아름답다고 생각하는 것이 초전도체라고 이야기하는데요. 이 책은 초전도 현상을 소개하는 입문서라고 합니다. 

사실 일반인들이 이해하기 어려운 물리학과 초전도체를 다루고 있어서인지 이 책은 제가 최근에 읽었던 과학 책들 중에서 가장 어려웠던 것 같아요.  

하지만 내용이 어려웠던 건 제가 이해가 부족해서인 것 같고 저자분은 정말 쉽게 써주셨다는 게 책을 읽으면서 계속 느껴졌어요. 심지어 초반에는 "초전도체에 대해 이야기하는데 왜 이렇게 재미있는 거야?"라고 생각할 정도였는데요. 중반부로 점점 가면서 내용의 심도가 깊어지니 어렵게 느껴지더라고요. 

첫째는 과학을 좋아해서 한 번 읽어보라고 하려는데 저보단 이해가 더 빠르지 않을까 해요. 

최대한 제가 이해한 부분을 중심으로 정리를 해 보려 해요. 

초전도체의 발견

초전도체는 영어로 superconductor로 말 그대로 슈퍼맨처럼 초월적 능력을 가진 전도체라는 뜻이에요. 초전도체는 열이 가해지면 온도가 올라가면서 힘을 잃고 일반적인 전도체로 변하게 된다고 해요. 

초전도체는 전기만 잘 흘리는 것이 아니라 1) 전기저항이 0이고, 2) 초전도체 내부의 자기장을 0으로 만드는 '마이스너 - 옥센펠트 효과'를 보이고 3) 조지프슨 효과와 자기선속 양자화 현상 같은 거시적 양자 현상을 보이는 세 가지 특징을 가지고 있어요. 

1. 금속에서의 전기저항은 격자의 결함과 진동(포논) 때문에 생기고

2. 포논에 의한 전기저항 값은 온도가 낮아질수록 작아진다.

초전도 현상은 보통 절대영도에 가까운 온도에서 일어나기 때문에 19세기 물리학자들은 이 절대온도의 기준점인 절대영도에 다다르기 위해 부단히 노력했다고 해요. 물의 경우를 생각해 보면 섭씨 영하 273도가 절대온도 0K에 해당하기 때문에 373K(섭씨 100도)를 지나면 기화되어 수증기가 되고, 아래면 액화가 되는 것이죠. 

당시에는 산소, 질소, 수소, 헬륨 등의 기체들을 영구기체라고 불렀지만 이미 오래전 헬륨도 액화에 성공하였죠. 

1. 1908년 오너스가 최초로 헬륨 액화에 성공하였고

2. 헬륨 액화 성공으로 절대 영도에 가까운 극저온에서 실험이 가능하게 되었다. 

끓는 점, 어는 점 그리고 초전도체로 변하는 온도와 같이 물질의 상태 변화가 일어나는 온도를 '전이 온도'라고 하는데요.  1911년에 오너스가 처음으로 저온에서 저항이 0이 되는 초전도체를 발견하였다고 해요. 

곧이어 그는 초전도 저항값이 0이어서 영구적으로 돌고 도는 영구 전류인 '초전도 전류'도 1914년 발견하였다고 합니다. 하지만 이때까지 발견된 초전도체는 1종 초전도체로 쉽게 온도나 전류, 자기장에 의해 초전도성을 잃었다고 하고요. 

초전도체의 양자역학적 특징

초전도체의 기본 성질 세 가지를 처음에 이야기드렸는데요. 마이스너 효과가 바로 공중 부양하는 초전도체의 모습과 관계가 있다고 해요. 

완벽한 전도체는 내부 자기장의 변화를 극도로 싫어하는 성질을 가지고 있는데요. 초전도체는 내부의 자기장을 밀어내서 항상 0으로 유지하려고 하는 새로운 물질 상태라는 것을 발견했다고 해요. 이렇게 외부에서 들어오는 자기장을 완벽하게 밀어내는 상태를 바로 '마이스너 상태'라고 한다고 해요. 

하지만 이러한 반자성체의 성격으로는 척력만 주기 때문에 튕겨나가고 공중 부양은 시킬 수 없는데요. 이때 필요한 것은 자기장의 세기로 인한 인력이라고 해요. 즉 척력과 인력이 동시에 작용하면서 겉으로는 부양한 것 같은 모습을 나타낸다고 하고 이는 2종 초전도체에 관찰된다고 합니다. 

초전도체 이론

여러 물리학의 대가들이 초전도 이론을 세우기 위해 노력했지만 초창기 기술과 실험 결과 부족으로 실패를 거듭하다가 마침내 1)동위원소 효과, 2) 쿠퍼쌍 이론, 3) 수많은 쿠퍼쌍을 묶어 초전도를 기술한 파동함수 이론이 성립되면서 결국 퍼즐이 맞아 답을 찾을 수 있었다고 하는데요. 즉, 전자 - 포논(진동) 작용이 전자를 묶어 쿠퍼쌍을 만들게 되고 이 쿠퍼쌍들이 모여 응축되어 초전도 현상이 일어난다고 합니다. 

고온 초전도체

고온 초전도체가 만들어지기까지 상당히 많은 연구가 실패를 거듭했지만 마침내 1986년 IBM 연구소의 베드노르츠와 뮐러가 기존의 한계를 뛰어넘는 35K 고온 초전도체를 발견했고 이후 이와 관련한 초전도체 연구가 폭발적으로 발전했다고 해요. 

하지만 여전히 초전도 현상을 보이는 것처럼 관찰이 되었다가 다시 재현되지 않는 현상들이 많이 확인되고 있고요. 이것을 미확인 초전도 물체 (USO)라고 한다고 하네요. 저자의 생각으로는 지난해 이슈가 되었던 상온 초전도체 LK99는 데이터 조작이라기보다는 USO로 보인다고 이야기하고 있어요. 

초전도체의 근황

이렇게 핫한 영역이다 보니 데이터 조작과 같은 이슈가 끊이질 않고 있다고 하는데요. 

얀 헨드릭 쇤은 초전도체 연구에서 데이터 조작으로 이슈가 되었던 인물인데요. 전기장을 이용해 초전도 현상을 비롯한 물리현상을 제어할 수 있다고 했지만 데이터 조작으로 밝혀진 바 있었고, 높은 압력을 이용해 상온 초전도를 달성했다고 주장했던 랑가디아스 교수의 연구들도 데이터 조작으로 밝혀졌다고 해요.

이런 초전도체가 우리 생활과 상당히 멀리 떨어져 있는 것처럼 보이지만 이미 의학, 군사, 운송 등 다양한 분야에서 사용되고 있고, 흔히 볼 수 있는 것이 MRI 라고 해요. 

---

저자의 경우는 물리학자를 꿈꾸던 고등학생 시절에 서점에서 물리학 입문서를 보면서 물리학과로 가게 되었다고 해요. 그래서 이번에 책을 쓰면서도 누군가 신입생 오리엔테이션에서 저자의 책을 읽고 초전도체를 연구하고 싶어서 물리학과에 왔다고 얘기하는 모습을 상상했다고 하는데요. 

과학자를 꿈꾸는 과학도들에게 과학사에 이름을 남기는 위대한 과학자가 되지는 못하더라도 그 과정에 동참하는 것만으로도 충분히 가치가 있는 일이고 배움을 얻을 수 있으니 망설이지 말고 도전하라고 격려하고 있어요.

저는 새로운 물질에 대한 궁금증과 앞으로의 산업의 방향을 이해하고 싶은 사적인 욕심으로 읽게 되었는데 참 흥미로운 책이었던 것 같아요. 비록 제 이해도가 높지 않지만 정말 아름다운 미시 세계가 있음을 이해하고 이를 밝혀내기 위해 세기를 걸쳐 많은 과학자들이 고군분투하는 과정을 바라보는 것만으로도 숭고한 기분이 들더라고요.

물리학 세계의 핫 트렌드인 초전도체의 역사와 모든 것을 알 수 있었던 좋은 책인 것 같아 관심 있으신 분들께 추천드려요~!

-도서를 지원받아 솔직하게 작성한 리뷰입니다.-