초전도란 무엇인가

오쓰카 다이이치로 지음 | 김병호 옮김

전파과학사 2020년 02월 18일 출간

작품소개

책소개

고온초전도의 세계는 지금 시작되고 있다

절대영도 부근에서 어떤 종류의 물질의 전기저항이 제로가 되는 초전도 현상은 왜 일어나는가? 저항이 없어지는 메커니즘은 어떤 것인가? 초전도를 일으키는 전자쌍은 어떻게 해서 생기는가? 왜 극저온이 아니면 안 되는가? 이것은 그 정체를 숨겨온 초전도도 BCS 이론의 등장에 의해 해명된 듯이 보였다. 초전도 현상이 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼(BCS) 등에 의해 해명된 것은 발견으로부터 46년째인 1957년의 일이었다.
1960년대에 들어와서는 터널효과, 자속 양자화와 꿈에도 생각지 못했던 높은 자기장까지 초전도성을 유지하는 재료, 그리고 조셉슨 효과가 잇따라 발견되어 초전도가 아직도 비밀로 숨기고 있었던 것들이 밝혀지게 되었다.
이들 발견은 BCS 이전에는 생각조차 못 했던 초전도의 응용 분야를 열어놓았다. 그런데 초전도 응용에 있어서의 약점은 극저온 환경을 필요로 한다는 점이었다. 보다 높은 온도에서 초전도가 되는 물질은 없을까? 1986년 뮐러, 베드노르츠 박사에 의한 고임계온도산화물 초전도체의 발견에 의해 초전도는 극저온의 세계에서 실온의 세계로 가까워져 새로운 가능성과 그 정체가 모습을 드러내기 시작하였다.
저자는 초전도에 대한 탐구와 그 역사를 좇아가며 독자를 초전도의 세계로 안내한다. 또한 응용에의 고민과 모색을 통해 초전도의 미래를 그려본다.

목차

머리말

1. 막이 오르기 전
1. 저온을 만든다
2. 열과 온도
3. 마이크로와 매크로 및 열운동
4. 질서와 무질서 및 절대영도
5. 이상기체와 에너지 등분배법칙
6. 고전 물리학에의 도전
7. 헬륨의 액화

2. 초전도의 발견
8. 금속전자론
9. 전기저항의 메커니즘
10. 저항은 온도에 따라 변화한다
11. 자유전자란?
12. 저항은 남았다
13. 저항이 갑자기 사라졌다
14. 새로운 상태의 출현

3. 혼미의 시대
15. 저항은 정말로 제로인가?
16. 전류와 자기장
17. 전자기 유도(電磁氣誘導)
18. 영구전류
19. 임계자기장
20. 도체는 자기장 변화를 싫어한다
21. 답은 몇 개라도 있다
22. 답은 하나밖에 없다
23. 마이스너 효과의 의의

4. 양자의 세계
24. 양자의 출현
25. 드브로이의 입자파
26. 현(弦)에 생기는 파동
27. 전자파를 전자궤도에 끼워넣다
28. 파울리 원리의 배타원리
29. 자유전자를 금속에 끼워넣다
30. 금속준위를 채우다
31. 페르미 분포
32. 전기전도
33. 브로흐의 금속전자 양자론
34. 격자진동
35. 격자진동과 전자

5. 모색의 시대
36. 현상론
37. 2유체모델
38. 마이스너 효과와 자기에너지
39. 부상자석
40. 런던 형제
41. 마이스너 효과를 추리하다
42. 런던방정식
43. 자기장은 침입한다
44. 침입깊이를 측정한다
45. 침입깊이와 자기에너지
46. 중간상태
47. 초전자는 질서 있는 운동을 한다
48. 파동이 고른 상태
49. 질서파라미터
50. 질서파라미터가 변화한다
51. 코히어런스길이
52. 코히어런스길이는 불순물로 변한다
53. 새로운 타입의 초전도

6. BCS 이론의 등장
전자는 서로 끌어당긴다
프레리히 상호작용
제2의 난관
전자분자
전자는 서로 속박한다
3인조 BCS의 등장
BCS의 쌍상태
에너지 갭
마이스너 효과와 완전 도전성
갭과 질서파라미터
새로운 시대의 전개

7. 새로운 시대의 개막
자속은 양자화되어 있다?
자속은 정말로 양자화되어 있다
초전도 터널효과의 발견
쿠퍼쌍이 터널한다
위상차와 터널 초전류
위상차는 자기장으로 변한다
간섭효과
위상차는 만들어진다
교류 조셉슨 효과
동기효과와 전압 표준
고자기장 초전도체의 발견
자속양자선이 침입한다
혼합상태와 상부 임계자기장
자속선은 격자를 엮는다

8. 응용의 시대
초전도는 쓸모가 있는가?
자속선은 움직인다
자속의 피닝(Pinning)
변덕스러운 초전도 자석
초전도 자석의 안정화
극세 다심선재의 등장
초전도 자석의 응용
꿈의 초고속 저공해 열차
리니어 모터카의 실현
초전도 일렉트로닉스
조셉슨 컴퓨터
초전도 트랜지스터
계측에의 응용

9. 고온 초전도체의 출현
고임계온도를 겨냥하여
산화물 초전도체
YBCO의 특성
고임계온도의 메커니즘은?
응용에의 길

작가정보

저자(글) 오쓰카 다이이치로

오쓰카 다이이치로는 일본 도쿄 출신으로 홋카이도대학을 졸업했다. 도쿄대학 이공학연구소, 하버드대학 대학원에서 연구했다. 하버드대학 사이클로트론연구소와 일렉트로닉스연구소, 도호쿠대학 금속재료연구소를 거쳤고 도호쿠대학 이학부 교수로 저온물리학 강의를 했다. 도호쿠대학 명예교수와 일본진공기술주식회사 기술개발부 기사장을 역임했다. 초전도에 관한 수많은 논문과 저서가 있다.

번역 김병호

김병호는 일본 와세다대학 응용화학과를 졸업하고 동 대학 석박사 과정을 수료한 공학박사이다. 고려대학교 재료공학과 교수를 역임했으며, 저서로는 『유리공학』,『결정화유리』가 있다.