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세상에 처음 알려진 지 100년이 지났지만 초전도 현상은 여전히 물리학자들에게 만만한 상대가 아니다. 다양한 초전도 물질, 때로는 예상을 뛰어 넘는 물질이 등장하기도 했지만, 아직도 초전도 현상을 이론적으로 완벽하게 설명하는 일은 물리학의 최대 난제 중 하나다. 지난 100년 동안 초전도 연구는 어떤 길을 걸어온 걸까. 과거로 시간 여행을 떠나 보자.


   


1911년 4월 8일, 네덜란드 물리학자 카메를링 오네스는 극저온 상태에서 전기저항이 어떻게 달라지는지 조사하는 실험을 벌였다. 대상은 수은이었다. 오네스는 액체헬륨으로 수은의 온도를 낮추며 전기저항을 측정했다. 온도가 떨어질수록 수은의 전기저항은 점점 줄어들었다. 그러다 4.2K(0K는 영하 273.15℃)가 되자 수은의 전기저항이 사라졌다. 그 누구도 예상하지 못했던 결과였다. 오네스는 실험노트에 수은의 저항이 0이 됐다는 사실을 무덤덤하게 기록했다. 이 날이 초전도 현상이 최초로 발견된 날이었다.


 
19세기 후반 과학계에서는 누가 온도를 더 낮게 떨어뜨릴 수 있는지를 놓고 경쟁이 치열했다. 오네스도 이 경쟁에 뛰어들었다. 1898년 첫 시합에서는 경쟁자인 스코틀랜드 물리학자이자 보온병 발명가인 제임스 듀워에게 졌다.



듀워가 수소를 액체 상태로 만드는 데 성공하면서 20K를 먼저 달성했다. 오네스는 헬륨을 액체 상태로 만드는 더 높은 목표에 도전했고, 1908년 최초로 이를 이뤄냈다. 헬륨은 4.2K에서 액체가 된다. 오네스는 절대영도에 가까운 극저온 상태에서 어떤 일이 벌어지는지를 당분간 독점적으로 연구할 수 있게 된 셈이었다.



오네스는 액체헬륨으로 당시 과학계의 수수께끼를 풀 생각이었다. 절대영도에 가까운 극저온 상태일 때 금속의 전기저항은 어떻게 되느냐 하는 문제였다.



1902년 절대온도 개념을 만든 켈빈 경은 절대영도가 되면 금속의 전기저항이 무한대가 된다고 주장했다. 절대영도에서는 금속도 얼어버린다는 게 근거였다. 반면 다른 과학자들은 금속의 전기저항이 온도가 낮아질수록 점점 줄어들다가 절대영도가 되면 0이 된다고 예상했다. 저항이 어느 정도까지 떨어지다 일정한 값을 유지한다고 주장하는 이들도 있었다.







BCS이론이 설명하는 초전도 현상의 원리



보통 (-)전하를 띠고 있는 전자는 서로 밀어낸다. 그런데 낮은 온도의 초전도체 안에서는 전자가 지나갈 때

양이온이 인력을 받아 전자 쪽으로 끌려간다.(가운데) 하지만 양이온은 전자보다 1800배 이상 무겁기 때문에 움직이는 속도가 느리다. 전자가 지나간 뒤에도 양이온은 계속 그 방향으로 움직이는데, 이때문에 다른 전자가 돌출된 양이온 쪽으로 끌려온다. 레온 쿠퍼는 앞서 지나간 전자와 나중의 전자가 서로 쌍을 이뤄 초전도체내에서 전류를 운반한다고 밝혔다. 이 두 전자를 ‘쿠퍼 쌍’이라고 부른다.(오른쪽)





그러나 얼어붙은 수은이 절대영도가 아닌 4.2K에서 갑자기 저항이 사라진다고는 그 누구도 예상하지 못했다. 처음엔 오네스도 어리둥절했다. 실험 장치에 문제가 있는 게 아닌가 의심도 했다. ‘측정을 통한 지식’을 신념으로 삼았던 오네스는 실험을 여러 차례 반복한 뒤에야 이를 확실한 현상으로 받아들였다.



오네스는 이 현상이 얼마나 대단한지를 알아챘다. 전기저항이 0인 초전도 물질에 전기를 흘려주면 이론적으로는 영원히 전기가 흐른다. 한번 생산한 전기를 아주 오랫동안 사용할 수 있다. 오네스는 언젠가 초전도 전선이 거의 무한한 양에 가까운 전기를 저렴한 값에 소비자에게 공급할 수 있다고 생각했다. 여기에 초전도 현상이라는 이름도 붙였다. 1913년 노벨물리학상은 오네스에게 돌아갔다.



그러나 초전도 현상은 만만하지 않았다. 첫 발견 이후 물리학자들은 어떤 금속 물질에서 초전도 현상이 나타나는지를 관찰했다. 동시에 초전도 현상을 이론적으로 설명하려고 했다. 천재 물리학자들이 대거 참여했다. 아인슈타인은 물론 불확정성 원리로 유명한 하이젠베르크, 양자역학의 대가인 보어와 파울리까지도 가세했다. 그러나 모두 두 손 들었다. 초전도 현상을 설명하는 이론은 첫 발견 이후 50년 가까운 세월이 흐른 뒤에야 나타났다.


  


아인슈타인, 슈뢰딩거, 보어도 실패한 이론



미국 물리학자 존 바딘은 노벨물리학상을 두 번 받은 유일한 인물이다. 1956년 트랜지스터를 개발한 공로로 노벨물리학상을 받은 바딘은 초전도 현상을 이론으로 확립하려는 목표를 세웠다.



이를 위해 바딘은 신참내기 물리학자 레온 쿠퍼를 영입했다. 당시 쿠퍼의 전문 분야는 초전도가 아니었다. 바딘의 제의에 쿠퍼는 잘 모르는 분야라 자신 없다고 망설였지만, 바딘은 아주 재미있는 문제라면서 자신이 가르쳐주겠다고 구슬렸다. 당대 최고의 이론 물리학자들도 실패했다는 사실을 몰랐던 쿠퍼는 바딘의 무모한 도전에 합류했다.



바딘은 쿠퍼와 대학원생인 존 슈리퍼로 팀을 꾸려 초전도 현상을 이론으로 설명하기 시작했다. 예상대로 무척 어려운 일이었다. 1957년 그들은 이론을 발표했지만, 동료 물리학자들조차 이해하기 힘들어 했다. 바로 이 이론이 그들의 이름 앞 글자에서 알파벳을 하나씩 따 지은 BCS이론이다. 지금까지도 초전도 현상을 설명하는 유일한 이론이다.



BCS이론은 오네스가 발견한 초전도 현상을 잘 설명했다. 이 이론에 따르면 초전도 현상은 30K이상에서는 일어날 수 없다. 이렇게 낮은 온도에서야 저항이 0이 된다면 초전도 현상을 실질적으로 활용하기 매우 어렵다. 만약 이야기가 여기에서 끝났다면 초전도 현상은 그저 흥미로울 뿐인 현상으로 남았을지도 모른다.



그러나 초전도 현상은 또 다른 얼굴을 숨기고 있었다. 두 번째 얼굴이 세상에 드러난 건 1986년, 역시 4월이었다. 그리고 그 얼굴은 오네스가 발견한 첫 이미지보다 훨씬 매력적이었다. 전 세계의 물리학자는 물론 각종 매체들까지 반할 정도였다. 스위스 취리히에 있는 IBM연구소의 K. 알렉스 뮬러와 J. 게오르크 베드노르츠가 35K에서 초전도 현상이 나타나는 물질을 찾았다고 발표했던 것이다. 이 연구가 놀라웠던 것은 온도가 30K 이상일 때 초전도 현상이 일어났다는 사실과 이를 일으킨 물질 때문이었다.



새로운 초전도체는 산화구리 면이 있는 세라믹 소재였다. 물리학자들은 전기가 통하지 않는 부도체인 세라믹 소재에서 초전도 현상이 나타났다는 데 대단히 놀랐다. 얼마 지나지 않은 1987년 1월, 상당히 높은 온

도인 97K에서 초전도 현상을 보이는 또 다른 물질이 발견됐다. 이는 비싸고 귀한 액체헬륨이 아니라 값싸고 풍부한 액체질소로도 초전도 현상을 일으킬 수 있다는 뜻이다. 액체질소는 끓는점이 77K이기 때문이다. 게

다가 질소는 공기 중에 아주 많아 가격도 싸다. 새로운 초전도체는 이전의 초전도체보다 훨씬 응용 가능성이 높다. 이처럼 액체 질소의 끓는점보다 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도체라고 한다.



고온초전도체의 발견은 전 세계를 들뜨게 했다. 수많은 물리학자들이 고온초전도체에 열광적으로 빠져들었다. 1987년 3월 18일, 뉴욕 힐튼 호텔에서 열린 미국 물리학회는 이런 분위기를 잘 보여 줬다. 당시 미국 물리학회는 이제 막 등장한 고온초전도 현상을 주제로 특별 세션을 마련했다. 많은 물리학자들이 요구해 급히 마련한 자리였다. 그럼에도 수많은 물리학자들이 이 특별 세션을 보기 위해 몰려들었다. 세션이 열리는 대회장의 문이 열리자마자 금세 자리가 다 찼고, 바닥에도 사람들이 빽빽이 들어섰다. 그러고도 안으로 들어가지 못한 이들이 2000여명이나 됐다. 호텔에서는 이들이 바깥에서 TV로 시청할 수 있게 해주었다.