초전도체와 영속전류

[김형]

영속전류에 관한 지금까지의 설명

  오네스(H. Kamerlingh Onnes)는 1911년, 수은, 납 그리고 다른 대부분의 금속류들은 절대영도 부근의 한계온도 Tc 이하에서는 전기저항이 0이 된다는 사실을 발견하였다. 전류를 유전을 중단해도 NMR측정치 10^5년간이나 지속될수있는 영속전류의 발견이다.

  이어서 마이스너(Meissner)등은 1933년경, 이 초전도체는 외부 자력을 완전히 반사하는 반자성적인 성질을 가졌다는 것을 발견했다.

  본서에서는 쿠퍼(L. N. Cooper)의 BCS론은 일반인이 이해할수없는 그리스신전에서 울려퍼져나오는 신탁과도 같은 난해한 말이라고 하고있다. 한가지 예로서 반평행의 스핀을 하는 두 전자가 포논의 중개역할로써 생긴 인력으로 인하여 전자쌍을 이룬다는 착상은 놀라울 따름이며 하전입자의 스핀운동이란 전자의 자전운동도 아니고, 그렇다고 현상세계에서 가시적으로 표현할 수도 없는, 말하자면 그 에너지만을 논할 수 있는 수학적인 개념의 운동이라고 지적하고 있다.

그리고,

  포논이라는 개념이 나오는데 쿠퍼는 이것을 고체의 결정격자의 기계적인 진동에너지라고 가정하였고 본서에서는 물질격자의 기계적인 진동에너지가 어떻게 이 격자의 구성원자의 궤도전자에 흡수될수 있으며, 또 전자가 이 에너지를 흡수했다고 해서 어떻게 전자간의 거대한 쿨롱반발력이 극복되어, 오히려 전자는 서로를 끌어당기는 인력을 가질수 있게 되는가? 라고 되묻고 있다.

  지금까지의 개념으로서 이해되는 전자는, 고리모양의 초전도체 내부를 흐르는 영속전류를 형성할 수 없게 되어 있다. 그 첫번째 이유는, 영속전류의 전자들은 명확히 초전도체를 구성하는 그 물질구조로부터 공급된 궤도전자들이기 때문이다. 만일 이들이 종전 개념의 궤도전자들이라면, 핵들과의 사이에 작용하는 쿨롱인력 때문에 이들은 영속적인 회전운동을 계속할 수 없다.

  두번째 이유는 도체가 갖는 근원적인 전기저항 때문이다. 지금까지 알려진 도체의 근원적인 전기저항은, 도체 내부를 흐르는 전자들과, 이들 전자들의 통로벽에 무수히 분포되어 있는 원자핵 또는 다른 궤도전자들과의 사이에 발생하는 충돌에 기인하는 것으로 알려져 있다.

  그런데 초전도체의 전기저항이 0이라는 것은 이러한 입자들간의 충돌이 전혀 없다는 뜻이다. 전자는 질량을 가진 입자로 알려져 있다. 이러한 질량을 가진 입자들이 물질의 구조내부를 그러한 거대한 속도로 통과하고 있음에도 불구하고 입자간의 충돌이 전혀 없다는 것은 상상도 못할 일이다.

  세번째 이유는 질량을 가진 전자들이 초전도체의 원형궤도를 따라 빛에 가까운 속도로 회전운동을 한다면, 예컨대 전류고리의 반지름을 3cm라고 했을때 개별전자에 작용하는 이 원심력은 2.73x10^-12N(newton)이나 되는 거대한 힘이다. 이러한 원심력은 종전의 원자구조론에 의하면 원자핵과의 사이에 작용하는 쿨롱인력과 균형을 이루게 되어있지만, 영속전류의 경우에 있어서는 전자들은 그들의 핵으로부터 원거리에 떨어져 있다. 그러므로 이 원심력은 전자들에게 불균형적으로 작용, 이들은 원형궤도의 벽쪽으로 쏠리거나 원형궤도 밖으로 사출(spin out)되어야 한다.

  이상 3가지의 영속전류가 존재할수없는 문제점들은 지금까지의 설명으로는 영속전류를 형성할 수 없다는 것을 말해 준다. But 영속전류는 엄연히 현상세계에 존재한다. 이에 본서에서는 몇가지 해답을 내놓고 있다.

 첫째, 최고속으로 운동하는 전자들은 그들의 원자핵과의 사이에 작용하는 쿨롱인력과는 직접적으로는 무관하고, 둘째로, 도체구조는 99.99999%의 빈 공간으로 되어 있으므로 지금까지 근원적인 저항으로 생각되어온 전자들의 충돌은 물질구조내에서는 있을수 없으며 셋째, 전자는 질량을 갖지 않았거나 가졌다 해도 지금까지 알려진 것보다 월등히 적은 질량을 가졌을 것이란 것 등이다.

고리모양의 초전도체 내부를 영속적으로 흐르는 전류는 초전도체를 구성하는 원자의 궤도전자로 부터 공급된 전자들로서 형성된다. 그러므로, 전자를 잃은 궤도전자고리들은 일은 전자들을 쿨롱인력으로서 원위치로 끌어당기고 있다. 영속되는 전류를 유지할 수 있으려면 이 쿨롱인력이 우선 차단되어야 한다.

  전자의 극한적인 고속으로 인하여 이들이 발한 전기력선들의 머리와 꼬리가 고리형태로 연결되면, 전자들의 종파적 진동은 사라지고, 이들에 의한 전자파의 발진도 사라지며, 따라서 에너지 방출(dumping)도 역시 중지 된다. 고리모양의 초전도체 내부를 흐르는 영속전류의 전자들은 일단 이것들이 운동을 시작하면 영구히 그 운동을 지속할 수 있는 이유이다.

이번시간에는 내용이 조금 길었는데 열린사고로 그냥 훓어내려가기만 해도 이해가 가실거에요. 이상임미다.