1911년 4월: 초전도체 연구의 시작

<A name="[문서의 처음]"></A> 1911년 4월: 온네스가 초전도체 연구를 시작함 (APS News) 올해 2007년은 물리학 사회가 고온 초전도체에 대한 "Woodstock of Physics" 학회의 20주년과 초전도체에 대한 BCS이론의 탄생 50주년을 기념하는 해다. 그러나 초전도체 이야기는 온네스 (Heike Kamerlingh Onnes)가 그 현상을 처음으로 발견한 1911년으로 거슬러 올라간다. 온네스는 1853년 9월 21일 네덜란드의 흐로닝겐(Groningen)에서 태어났다. 그의 아버지는 벽돌 쌓기 사업을 하고 있었다. 온네스는 1870년 흐로닝겐대학에 들어가고 1871년부터 1873년까지 하이델베르크에서 2년을 보낸 후 흐로닝겐으로 돌아와 1879년 물리학으로 박사학위를 받았다. "절대 영도의 신사"로 알려진 온네스는 인생의 대부분을 더 낮은 온도에 도달하고 극저온에서 물질의 성질이 어떻게 변하는가를 연구하는데 보냈다. 그가 이 문제에 대한 연구를 시작한 때는 1882년 그가 레이덴(Leiden) 대학교의 교수가 되고 저온의 기체에 대해 공부하기 시작할 때였다. 저명한 실험 학자 답게 그의 모토는 Door meten tot weten (지식은 측정을 통해서 얻어진다.) 이었다. 1898년 온네스는 그의 라이벌인 제임스 드와 (James Dewar)에게 수소를 액화시키는 경쟁에서 패한다. 그 후 온네스는 다음 목표인 액화 헬륨에 도전하고 이번에는 1908년 7월 마침내 첫 번째 액화 헬륨을 만들어내 경쟁자인 드와와의 경쟁에서 승리한다. 비록 그 당시에는 아주 조그만 양의 액화 헬륨을 얻었을 뿐이지만 액화 헬륨으로 인해 다른 물질들을 아주 낮은 온도로 만드는 게 가능해졌다. 온네스는 액체의 온도를 절대온도 1도까지 낮출 수 있었고 그것은 그때까지 만들 수 있었던 가장 낮은 온도였다. 액체 헬륨은 다루기가 어렵다. 그래서 온네스는 액체 헬륨을 이용하고 저장하기 위한 장치들을 고안하느라 3년의 시간을 더 보냈다. 더 낮은 온도에 도달하기 위한 연구를 계속하는 것 보다 그는 액체 헬륨을 이용해 절대 온도 영도 근처에서 물질의 성질에 대한 연구로 연구 주제를 바꿨다. 1911년 봄, 온네스는 저온에서 금속의 전기 전도성에 대한 연구를 시작했다. 그 당시의 물리학자들은 샘플이 차가와질수록 저항은 일반적으로 줄어든다는 것을 알고 있었다. 하지만 온도가 절대 영도 근처의 극저온으로 갈 때 어떻게 될지에 대해서는 전혀 알 수가 없었다. 어떤 이들은 저항이 계속 떨어져 온도가 영도에 이르면 저항도 영으로 수렴한다고 생각했다. 다른 사람들은 저항이 영이 아닌 어느 상수로 일정하게 된다고 믿었다. 켈빈 경을 포함한 또 다른 그룹은 영도 근처에서는 전자가 한 장소에 얼어붙어서 저항은 무한대가 된다고 믿었다. 온네스는 이 문제를 풀고자 했다. 금속내의 조그마한 이물질이라도 결과를 망칠 수 있다고 믿었기 때문에 온네스는 아주 순수한 샘플을 만들 수 있었던 수은을 선택했다. 처음에는 금을 연구에 같이 사용했으나 수은으로 바꾸었는데 이는 아주 운이 좋은 선택이었다. 금을 가지고 계속 연구했더라면 초전도 현상을 발견하지 못했을 것이다. U-자 형의 관에 수은을 담고 양 끝에 전선을 연결한 후 그를 통해 전류를 흘려보내고 온도를 낮추어 가면서 저항을 측정했다. 처음에는 온도가 떨어질수록 저항 또한 천천히 떨어졌다. 그러다 절대온도 4.19도에서 갑자기 저항이 순식간에 없어졌다. 온네스는 충격을 받았다. 이것은 그 어느 누구도 예상하지 못했던 결과였다. 처음에 온네스는 그가 발견한 것을 믿지 않았다. 아마도 전선이 단락되었거나 장치의 다른 곳에 문제가 생긴 것으로 생각했다. 그와 그의 팀은 실험을 계속 반복한 끝에 그 놀라운 효과가 실제로 존재한다는 확신을 얻었다. 1911년 4월말, 그는 그에 대한 첫 논문으로 “The resistance of pure mercury at helium temperatures”를 Communications from the Physical Laboratory at Leiden에 출판했다. 5월에 두 번째 논문을 내고 1911년 11월   “On the Sudden Change in the Rate at which Resistance of Mercury Disappears”라는 또 다른 논문을 발표했다. 수은에서 이 효과를 발견한 후 온네스는 곧바로 주석도 저온에서 초전도체가 된다는 것을 보였다. 비록 다른 물리학자들이 이 발견의 중요성을 즉각 알아차리지 못했지만 (1912년 온네스가 학회에서 발표했을 때 별다른 주목을 받지 못했다.) 온네스는 상업적 이용성에 재빨리 주목했다. 그는 훗날 초전도 전선이 사용자에게 싸고 무한정의 전기를 공급해 주리라고 예언했다. 하지만 몇 년 후 초전류가 아주 작은 자기장에 의해서도 깨진다는 것을 발견하고 이에 실망했다. 1913년 그는 이 현상을 설명하기 위해 “supraconductivity”라는 말을 사용했다. 그 후 이 이름을 초전도 “superconductivity”로 바꾸었다. 1914년 그는 또 다른 재미있는 현상을 발견했다. 납으로 만든 전선에 초전류를 흐르게 한 뒤 일 년이 지난 후에도 아무런 변화 없이 전류가 그대로 흐르고 있는 것을 발견한 것이다. 온네스는 그가 엄청난 발견을 한지 불과 2 년 후인 1913년 노벨상을 수상했다. 수상이유는 저온 물리학에의 공헌 특히 헬륨의 액화에 관한 것이지만 초전도 현상은 특정되지 않았다. 그는 한 평생 건강으로 고생하다 1926년 세상을 떠났다. 그의 발견이 이루어진 후 수십 년간 그 효과가 어떻게 일어나는지 아무도 설명하지 못했다. 그 자신은 양자 역학이 그 현상을 설명할 수 있다고 믿었지만 이론을 만들 수 는 없었다. 1957년에 이르러 바딘, 쿠퍼, 쉬리퍼가 초전도 현상을 설명하는 이론을 (BCS 이론) 만드는데 성공한다. 1986년 베드노즈(Bednorz)와 뮐러(Mueller)는 처음으로 고온 초전도체를 발견한다. 이는 엄청난 후속 연구를 가져왔고 1987년 미국 물리학회의 APS 3월 미팅에서 밤을 세워가며 학회가 진행되었고 이를 “Woodstock of Physics”라 부른다. 초전도체는 오늘날 자기부상열차, MRI, 고에너지 물리학과 전력 장치 등에 사용된다. 온네스의 학생으로는 슈브니코프-드 하스 (Shubnikov-de Haas) 효과, 드 하스-반 알펜 (de Haas-van Alphen) 효과, 아인슈타인-드 하스 효과 등으로 잘 알려진 드 하스(Wander de Haas) 와 제만 효과의 발견으로 헨드릭 로렌츠와 함께 1902년 노벨 물리학상을 수상한 제만(Pieter Zeeman)이 있다.