초전도체의 완전 반자성 성질, 자기장 밀어내는 마이스너 효과
렉서스, 공중을 나는 호버 보드 시연하기도... 상온 초전도체 개발 필요
[문화뉴스 MHN 권성준기자] 최근 상온 초전도체가 발견되어 큰 화제가 되고 있다. 그 이전까지 상온 초전도체는 사실상 SF의 영역에 있었던 물질로 이번 발견은 섭씨 15도에서 이루어졌는데 그 이전 최고 기록은 영하 120도 정도에 불과했다.
상온 초전도체는 특이한 성질로 인해 수많은 SF에서 등장하였었다. 초전도체가 가지는 가장 대표적인 성질은 초전도체라는 이름이 붙게 만들어준 엄청나게 높은 전기 전도성이다. 애초에 초전도 현상은 극저온에서 금속의 전기 저항이 0이 되는 현상을 의미한다.
하지만 시간이 지나면서 저항이 거의 없어 마찬가지로 높은 전기 전도성을 가지는 그래핀과 오히려 금속 내부에서 전자를 가속시켜 음의 저항을 갖게 만들어 주는 바일 준금속 등이 발견되면서 단순한 전기 전도성만으론 특별함을 가지기 어려웠다.
하지만 초전도체가 가진 신기한 성질은 전기 전도성에만 국한되지 않았다. 초전도체는 마이스너 효과라고 불리는 완전 반자성체가 되는 성질을 가진다. 이는 그래핀과 같은 물질은 가지고 있지 않은 성질로 초전도체는 외부 자기장을 밀어내거나 안에 가둘 수 있다.
1931년 독일의 물리학자 발터 마이스너는 초전도체 내부의 자기장이 사라지는 현상을 발견하였다. 외부에서 물질에 자기장을 걸어주면 물질 내부로도 자기장이 침투한다. 하지만 마이스너가 발견한 현상은 초전도체에 자기장을 걸어주더라도 내부에 자기장이 침투하지 못한다는 것을 의미한다.
자기장이 자석에서 발산되는 모습은 자기력선을 그려서 이해한다. 그런데 자기력선을 그리는 규칙은 자기력선은 끊어지거나 서로 교차하지 않아야 한다. 따라서 초전도체에 자기장을 걸어주면 자기력선은 초전도체를 피해서 가는 것으로 그려지며 이는 초전도체가 자기장을 밀어낸다는 의미이다.
프리츠 런던과 하인츠 런던 형제는 런던 방정식을 유도하여 진공에서 초전도체로 자기장이 진행할 경우 지수적으로 자기장이 감소한다는 공식을 얻었다. 현대에도 마이스너 효과를 이론적으로 이해할 때는 런던 방정식을 사용하여 설명한다.
자기장을 밀어낸다는 것은 외부에 자석이 있다면 초전도체는 자석을 밀어낸다는 것과 같은 말이다. 만약 초전도체를 고정시켜두고 그 위에 자석을 올려둔다면 마이스너 효과에 의한 힘 때문에 자석이 공중에 뜰 수 있다. 물론 반대의 경우도 성립한다.
고정시켜둘 물질을 충분히 넓게 만든다면 힘을 주는 방법에 따라 공중을 날아다니는 것도 충분히 가능한 이야기가 된다. 이 사실은 사람들의 상상력을 자극하였고 맨 처음 논의되었던 사용 방법은 자기부상 열차였다.
시간이 지나 초전도체를 만들 수 있는 온도가 높아지고 연구도 다양하게 이루어져 과거와 비교해 훨씬 더 쉽게 초전도체를 만들 수 있게 되자 다양한 곳에서 초전도체를 응용하려는 움직임이 나타났다. 그중 하나로 렉서스에서 만든 호버 보드가 있다.
렉서스 호버 보드는 보드의 아래에 액체 수소와 금속을 함께 넣어 금속을 초전도체로 만든다. 그다음 밑에 자석을 깐 곳에서 보드를 타면 영화 '백 투 더 퓨처'에서 볼 수 있었던 공중을 나는 호버 보드가 만들어진다.
실제로 렉서스 사에서는 장기간의 시행착오를 통해 균형이 잘 맞는 호버 보드를 만들어 시연 영상을 보여주었다. 아직 개발 단계라 브레이크나 속도 조절 등에선 개선이 필요해 보이지만 충분히 재미있는 개발이었다. 조금 더 개선이 된다면 호버 보드가 상용화되는 것도 문제가 되지 않을 것으로 보인다.
이런 장비를 만드는데 상온 초전도체의 개발은 필수적인 요소이다. 액체 수소를 통해 초전도체를 만든다 하더라도 주변에서 열에너지를 공급받아 초전도체의 온도가 올라가면 초전도 현상이 풀리고 평범한 금속이 되기 때문이다. 계속해서 액체 수소를 공급하는 것은 큰 비용 요구한다.
만약 상온 초전도체가 상용화된다면 SF 속 현상들이 실현될지도 모른다. 영화 '아바타'에서는 작품의 무대인 '판도라'의 토양엔 상온 초전도체인 '언옵타늄'이 풍부하게 매장되어 있다는 설정이다. 언옵테늄의 반자성으로 인해 판도라에는 거대한 지형들이 공중에 떠 있는 모습을 하고 있다.
상온 초전도체가 만들어진다면 지구 자기장을 밀어내는 효과를 가지고 거대 구조물을 공중에 띄우는 것도 불가능은 아니다. 물론 아무도 영화에서처럼 산을 공중에 띄우려는 시도는 하지 않을 것이다. 하지만 영화 '천공의 성 라퓨타'에서와 같이 공중에 거대한 도시를 만드는 행동은 충분히 가능해질 것이다.
이런 효과뿐만 아니라 '아바타'에서 등장하였듯이 핵융합 발전과 같은 초전도체가 필요한 부가 산업에 획기적인 진보를 이룰 수 있기에 이번 상온 초전도체의 발견은 그 의미가 남다른 발견이었다.
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