용어 사전
이 분야가 쓰는 말들.
초전도체 주변에서 계속 마주치게 되는 용어들을, 말로 설명하듯 적었습니다. 검색하거나 주제로 걸러 보십시오.
39개 용어
기본
초전도체 (superconductor)
- 전기 저항 없이 전류를 흘려보내는 물질입니다. 흐르는 동안 열로 빠져나가는 에너지가 없습니다. 모든 물질은 어떤 온도 아래에서만 이 상태가 되고, 대부분은 그 온도가 절대영도에 가깝습니다.
임계온도 (Tc)
- 초전도 상태가 되기 위해 물질이 내려가야 하는 온도입니다. 한 세기 동안 이 분야가 쫓아온 숫자이며, 켈빈으로 표기합니다.
켈빈 (K)
- 절대영도에서 시작하는 온도 척도입니다. 상온은 약 293 K, 액체질소는 77 K에서 끓고, 액체헬륨은 4.2 K입니다. 1 K의 간격은 섭씨 1도와 같습니다.
상압 (ambient pressure)
- 보통의 대기압, 즉 사람이 만드는 모든 장치가 실제로 작동하는 압력입니다. 엄청난 압력에서만 초전도가 되는 물질은 진짜 결과이지만 아직 쓸 수 있는 물질은 아닙니다.
마이스너 효과 (Meissner effect)
- 초전도체는 내부의 자기장을 밖으로 밀어냅니다. 자석이 초전도체 위에 뜨는 이유가 이것입니다. 결정적인 판별법이기도 합니다. 저항이 거의 없는 것은 아주 좋은 도체도 흉내 낼 수 있지만, 이 효과는 흉내 낼 수 없습니다.
쿠퍼 쌍 (Cooper pair)
- 전자 두 개가 묶여 하나처럼 움직이는 상태입니다. 초전도란 이 쌍이 에너지를 열로 흩뿌리지 않으면서 전류를 나르는 현상입니다.
BCS 이론 (BCS theory)
- 1957년에 나와 당시 알려진 모든 초전도체를 설명한 이론입니다. 결정 격자의 진동이 전자를 쌍으로 묶는다는 것이고, 노벨상을 받았습니다. 다만 상압 기록을 전부 쥐고 있는 구리산화물은 설명하지 못합니다.
비통상 초전도체 (unconventional superconductor)
- BCS 이론으로 짝지음이 설명되지 않는 초전도체입니다. 구리산화물이 대표적인 계열이며, 이 분야의 핵심 사실이 여기 있습니다. 온도가 가장 높은 물질일수록 물리가 가장 덜 정리되어 있습니다.
고온 초전도체 (HTS)
- 대략 30 K 위에서 초전도가 되는 계열로, 실질적으로는 액체헬륨 대신 액체질소로 돌릴 수 있는 물질을 말합니다. 냉매 하나가 바뀌면 그 위에 세워진 모든 것의 경제성이 바뀝니다.
제2종 초전도체 (Type II superconductor)
- 강한 자기장을 한꺼번에 무너지는 대신 가느다란 자속 다발 형태로 통과시키는 초전도체입니다. 자석으로 감기는 물질은 자기가 만든 자기장을 견뎌야 하므로, 실용 전도체는 전부 제2종입니다.
전이온도 기록 (transition temperature record)
- 주어진 조건에서 발표된 가장 높은 임계온도입니다. 상압에서 확립된 기록은 1993년 이후 유지되고 있으며, 이 회사가 존재하는 이유가 되는 사실입니다.
중요한 숫자들
임계전류밀도 (Jc)
- 초전도 상태가 깨지기 전까지 단위 단면적당 흘릴 수 있는 전류입니다. 전이온도가 높아도 임계전류가 낮으면 아무도 그것으로 무언가를 만들 수 없습니다.
공학전류밀도 (Je)
- 같은 값을 초전도체가 아닌 부분까지 포함한 선재 전체 단면으로 잰 것입니다. 실제 선재 안의 구리, 강재, 절연체는 자리를 차지하면서 전류는 나르지 않기 때문에, 자석을 설계하는 사람이 쓰는 숫자는 이쪽입니다.
임계자기장 (critical field)
- 초전도 상태가 버틸 수 있는 자기장의 세기입니다. 사람들이 초전도체로 만들고 싶어 하는 것 대부분이 자석이므로, 물질은 자기가 만들어낸 자기장을 스스로 견뎌야 합니다.
임계면 (critical surface)
- 온도, 자기장, 전류를 하나의 경계로 그린 것입니다. 전도체는 셋이 둘러싼 부피 안에서만 작동하고 모든 응용은 그 공간의 한 점이므로, 전이온도 하나만 말하는 것은 입체의 한 모서리만 말하는 것입니다.
kA·m당 비용 ($/kA·m)
- 전류 1,000 암페어를 1미터 나르는 데 드는 비용입니다. 자석이 만들어질지 말지를 결정하는 숫자이며, 온도와 자기장이 함께 명시될 때에만 의미가 있습니다. 작동 조건이 붙지 않은 $/kA·m는 사양이 아닙니다.
극저온 냉동기 (cryocooler)
- 액체 냉매를 채워 넣지 않고 초전도체를 작동 온도로 유지하는 폐쇄형 냉동기입니다. 전도체가 차가울수록 기계와 전기요금이 커지므로, 더 따뜻한 초전도체를 찾는 이유의 상당 부분은 사실 더 작은 냉동기를 찾는 이유입니다.
물질
구리산화물 (cuprate)
- 지금까지 발견된 거의 모든 고온 초전도체가 속한 구리 산화물 세라믹 계열입니다. 1986년에 발견되었고, 상압 기록은 여전히 이 계열이 쥐고 있습니다.
REBCO
- 희토류-바륨-구리 산화물로 표기되는 구리산화물이며, 오늘날 고자기장 자석을 감는 데 쓰이는 전도체입니다. 선재가 아니라 코팅된 테이프 형태로 판매되며, 가격이 비싼 이유의 일부가 여기 있습니다.
철계 초전도체 (iron-based superconductor)
- 2008년 철과 비소 또는 셀레늄의 층상 화합물에서 발견된 두 번째 고온 초전도체 계열입니다. 구리산화물이 우연한 예외가 아님을 증명했고, 이들의 짝지음도 BCS 이론으로 설명되지 않습니다.
니오븀 합금 (NbTi·Nb₃Sn)
- 지난 60년의 주력 초전도체로, 가동 중인 MRI 자석과 가속기 자석 대부분이 이것으로 감겨 있습니다. 4 K 부근의 액체헬륨에서 돌아가며, 새로운 전도체의 가격이 비교당하는 기준이 바로 이들입니다.
이붕화마그네슘 (MgB₂)
- 화학 카탈로그에 반세기 동안 실려 있다가 2001년에야 39 K 아래로 식혀졌고, 그때 초전도가 발견된 단순한 두 원소 화합물입니다. 이 늦은 발견은 물질 자체보다, 탐색이 얼마나 비체계적이었는지를 더 많이 말해 줍니다.
수소화물 초전도체 (hydride superconductor)
- 따뜻한 실내에 가까운 온도에서 초전도가 되지만, 다이아몬드 앤빌 셀 안에서만 만들어지는 압력이 필요한 수소가 풍부한 화합물입니다. 약 150 기가파스칼이며, 그 조건에서는 아무것도 만들 수 없습니다.
준안정 (metastable)
- 언젠가는 벗어날 상태를 붙들고 있는 것입니다. 준안정 초전도 상태는 실재하고 측정되고 논문으로 나올 수 있지만, 오래 가지 않거나 쓸 만한 크기로 만들 수 없으면 여전히 쓰이지 못합니다.
도핑 (doping)
- 원소 일부를 몇 퍼센트 치환해 전하 운반자를 더하거나 빼는 일입니다. 도핑하지 않은 구리산화물은 초전도가 아예 되지 않고, 도핑하면 기록을 쥡니다. 아무것도 아닌 상태와 기록 사이의 거리가 원자 백 개 중 몇 개입니다.
만들기와 버티기
합성 경로 (synthesis route)
- 물질을 실제로 만드는 방법입니다. 무엇을 넣고, 몇 도에서, 어떤 분위기로, 얼마나 오래 두는지. 합성 경로가 없는 예측 화합물은 후보가 아니라 제안에 가깝습니다.
단결정 (single crystal)
- 원자 배열이 끊기지 않고 한 방향으로 이어진 시료입니다. 물질 고유의 성질을 말해주는 측정은 여기서 이루어지고, 그래서 결정 성장은 그 자체로 하나의 전문 분야입니다.
코팅 전도체 (coated conductor)
- 선재로 뽑는 대신 금속 테이프 위에 박막으로 성장시킨 초전도체입니다. 잘 부러지는 세라믹을 휘어지는 물건으로 만드는 방법이고, 이 공정이 가격의 대부분을 차지합니다.
압력 급냉 (pressure-quenched)
- 평소라면 취하지 않을 구조로 밀어 넣을 만큼 세게 누른 뒤, 그 구조가 남을 만큼 빠르게 압력을 푸는 방법입니다. 그렇게 나온 상태는 준안정이어서 시간이 지나거나 온도가 오르면 되돌아갑니다.
자속 고정 (flux pinning)
- 자속선이 움직이면 에너지가 흩어져 무저항이 깨지기 때문에, 자속선을 붙들어 두려고 전도체 안에 일부러 넣는 결함입니다. 전도체를 어떻게 가공하는지가 무엇으로 만드는지만큼 중요한 이유입니다.
영구 전류 (persistent current)
- 닫힌 초전도 루프에 전류를 흘려 두고 그대로 두는 것입니다. MRI 자석은 전원을 끊은 채 이 방식으로 몇 년을 돌아가며, 이런 루프의 측정된 안정성이 저항이 정말 0이라는 가장 깨끗한 증거입니다.
퀜치 (quench, 자석에서)
- 초전도 자석이 갑자기 초전도 상태를 잃고 저장된 에너지가 한꺼번에 열로 바뀌는 순간입니다. 시료의 압력 급냉과는 다른 말이며, 자석 설계의 대부분은 이 사고에서 살아남는 법을 설계하는 일입니다.
탐색과 증명
인 실리코 (in silico)
- 실험대가 아니라 컴퓨터 안에서 하는 것입니다. 후보를 인 실리코로 선별하기 때문에 수백만 개를 검토할 수 있고, 그중 로에 들어갈 가치가 있는 것은 극소수입니다.
밀도범함수 이론 (DFT)
- 물질의 성질을 제1원리로 계산하는 표준 도구입니다. 바닥상태 에너지와 구조는 산업적 규모로 돌릴 만큼 잘 구하지만, 상압 기록을 쥔 물질들 속 강하게 상호작용하는 전자에 대해서는 실패한다는 것이 수십 년째 문헌으로 정리되어 있습니다.
소급 검증 (retrodiction)
- 이미 알려진 답을 가린 뒤 방법을 돌리고 결과를 맞춰보는 검증입니다. 공개된 기록과의 일치를 보여줍니다. 아직 아무도 측정하지 않은 것을 예측하는 일과는 다르며, 저희는 그 둘을 섞어 쓰지 않습니다.
다이아몬드 앤빌 셀 (diamond anvil cell)
- 시료를 두 개의 다이아몬드 끝 사이에 넣고 눌러 행성 내부 수준의 압력을 만드는 작은 압축 장치입니다. 시료는 수십 마이크로미터 크기이며, 그래서 여기서 나온 결과는 물질이라기보다 물리 결과입니다.
주사터널링현미경 (STM)
- 뾰족한 탐침을 표면 위 1 나노미터도 안 되는 높이에 띄우고 그 틈을 건너는 전류를 재어 표면을 그리는 장비입니다. 원자 하나를 분해해 볼 수 있으며, 파트너 연구실이 플랫폼의 예측을 확인할 때 쓰는 장비 중 하나입니다.
조지프슨 접합 (Josephson junction)
- 원자 몇 개 두께의 장벽을 사이에 둔 두 초전도체이며, 전류가 전압 없이 그 장벽을 건넙니다. 지금까지 만들어진 가장 민감한 자기 검출기와 대부분의 초전도 양자 프로세서의 기본 소자입니다.
스퀴드 (SQUID)
- 조지프슨 접합을 품은 초전도 루프이며, 알려진 것 중 가장 민감한 자기장 검출기입니다. 두개골 밖에서, 살아 있는 뇌가 만드는 자기장을 읽어냅니다.