초전도

Superconductivity
기사 정보
전자기학
Solenoid
정전학
자기 정전기
전기역학
전기 네트워크
공변량 공식
과학자
액체 질소로 냉각된 고온 초전도체 위를 떠다니는 자석입니다.지속 전류는 초전도체 표면에 흐르며 자석의 자기장을 배제하는 역할을 합니다(패러데이의 유도 법칙).이 전류는 효과적으로 자석을 밀어내는 전자석을 형성합니다.
NdFeB 자석(금속)이 있는 고온 초전도체(검은색 펠릿)의 마이스너 효과 영상
자석 위를 떠다니는 고온 초전도체

초전도성은 전기 저항이 사라지고 자속장이 물질에서 방출되는 특정 물질에서 관찰되는 물리적 특성 집합입니다.이러한 성질을 나타내는 물질은 모두 초전도체입니다.온도가 절대영도에 가까워질수록 저항이 점차 낮아지는 일반 금속도체와 달리 초전도체는 저항이 [1]0으로 급격히 떨어지는 특성 임계온도를 가진다.[2] 초전도 와이어의 루프를 통과하는 전류는 전원 [3][4][5][6]없이 무한히 지속될 수 있습니다.

초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메링 오네스에 의해 발견되었다.강자성이나 원자 스펙트럼 선과 마찬가지로 초전도 현상은 양자역학으로만 설명할 수 있는 현상이다.이것은 초전도 상태로 이행하는 동안 초전도체 내부에서 자기장 선이 완전히 방출되는 마이스너 효과로 특징지어집니다.마이스너 효과의 발생은 초전도성이 단순히 고전 물리학에서 완벽한 전도성의 이상화로 이해될 수 없다는 것을 보여준다.

1986년에 일부 구리산 페로브스카이트 세라믹 재료의 임계 온도가 90 K(-183 °C)[7]를 넘는 것이 발견되었습니다.이러한 높은 전이 온도는 이론적으로 기존 초전도체로는 불가능하기 때문에 고온 초전도체라고 불립니다.저렴하게 사용할 수 있는 액체 질소는 77K에서 끓기 때문에 이보다 높은 온도에서 초전도성이 존재하면 낮은 온도에서 실용적이지 않은 많은 실험과 응용이 용이해집니다.

분류

주요 기사:초전도체 분류

초전도체를 분류하는 기준에는 여러 가지가 있다.가장 일반적인 것은 다음과 같습니다.

자기장에 대한 반응

초전도체는 모든 초전도성이 상실되고 그 아래 자기장이 초전도체에서 완전히 배제되는 단일 임계장을 갖는 타입 I일 수도 있고, 또는 타입 II일 수도 있으며, 두 가지 임계장 사이에 고립된 [8]지점을 통해 자기장을 부분적으로 투과할 수 있는 타입 II일 수도 있습니다.이러한 점을 소용돌이라고 합니다.[9]게다가 다성분 초전도체에서는 두 가지 행동을 조합할 수 있다.이 경우 초전도체는 타입 1.5입니다.[10]

연산이론에 의한

BCS 이론이나 그 파생상품으로 설명할 수 있다면, 그렇지 않으면 [11]관습적이지 않다.또는 초전도 순서[12] 파라미터가 시스템의 점군 또는 공간군의 단순하지 않은 표현에 따라 변환될 경우 초전도체는 비상식적이라고 불린다.

임계 온도별

Georg Bednorz와 K가 처음 발견한 것처럼 초전도체는 일반적으로 30K(-243.15°C)[13] 이상의 초전도 상태에 도달하면 고온으로 간주됩니다. 알렉스 뮐러.[7]또한 액체 질소를 사용하여 냉각할 때 초전도 상태로 전환되는 물질(즉c, T > 77 K)을 참조할 수 있다. 그러나 이는 일반적으로 액체 질소 냉각수가 충분하다는 것을 강조하기 위해서만 사용된다.저온 초전도체는 임계 온도가 30 K 이하인 물질을 말하며, 주로 액체 헬륨(Tc > 4.2 K)으로 냉각한다.이 규칙에 대한 한 가지 예외는 고온 초전도체의 전형적인 행동과 특성을 보이는 초전도체의 철 피닉타이드 그룹이지만, 일부 그룹의 임계 온도는 30 K 미만이다.

소재별

"위: 초전도 소자 고체와 실험 임계 온도(T)의 주기율표.하단:초전도 바이너리 하이드라이드(0~300GPa)의 주기율표.이론적 예측은 파란색으로 표시되고 실험 결과는 [14]빨간색으로 표시됩니다."

초전도체 재료 등급에는 화학 원소(예: 수은 또는 납), 합금(예: 니오브 – 티타늄, 게르마늄 – 니오브, 질화 니오브), 세라믹(YBCO 및 마그네슘 이보라이드), 초전도 피닉타이드(예: 불소 도프된 LaOFeAs) 또는 유기 초전도체(예: 나노튜브)가 포함된다.모두 [15][16]탄소로 구성되기 때문에 화학 원소에 포함된다.)

초전도체의 기본 특성

임계 온도, 초전도 간격 값, 임계 자기장, 초전도 파괴 임계 전류 밀도 등 초전도체의 몇 가지 물리적 특성은 물질마다 다릅니다.반면, 기초 재료와 독립적인 특성 클래스가 있다.마이스너 효과, 자속 또는 영구 전류의 양자화, 즉 제로 저항 상태가 가장 중요한 예입니다.이러한 "보편적" 성질의 존재는 초전도체의 깨진 대칭과 오프 대각선 장거리 질서의 출현에 뿌리를 두고 있습니다.초전도성은 열역학적 단계이며, 따라서 미시적 세부사항과는 거의 독립적인 특정한 특성을 가지고 있습니다.

오프 대각선 장거리 순서는 Cooper 쌍의 형성과 밀접하게 관련되어 있습니다.V.F.의 기사바이스코프(Weisskopf)는 쿠퍼 쌍의 형성, 쌍의 결합을 일으키는 인력의 기원, 유한한 에너지 간격 및 영구 전류의 [17]존재에 대한 간단한 물리적 설명을 제공한다.

제로 전기 DC 저항

CERN의 가속기용 전기 케이블.대용량 케이블과 슬림 케이블 모두 정격 12,500 A입니다.상단: LEP용 일반 케이블, 하단: LHC용 초전도체 기반 케이블
유기 텍사스 초전도 슈퍼 충돌기(SSC)의 프리폼 초전도체 로드의 단면.

일부 재료의 샘플의 전기 저항을 측정하는 가장 간단한 방법은 전류원 I과 직렬로 전기 회로에 배치하여 샘플 전체에 걸쳐 결과 전압 V를 측정하는 것입니다.샘플의 저항은 옴의 법칙에 따라 R = V / I로 지정됩니다. 전압이 0이면 저항이 0임을 의미합니다.

초전도체는 또한 MRI 기계에서 발견되는 것과 같은 초전도 전자석에 이용되는 특성인 인가 전압을 전혀 사용하지 않고도 전류를 유지할 수 있습니다.실험은 초전도 코일의 전류가 측정 가능한 열화 없이 몇 년 동안 지속될 수 있다는 것을 증명했습니다.실험 증거는 현재 수명이 최소 100,000년임을 나타냅니다.와이어 지오메트리와 [5]온도에 따라 영구 전류의 수명에 대한 이론적 추정치가 우주의 추정 수명을 초과할 수 있습니다.실제로 초전도 코일에 주입된 전류는 초전도 중력계에서 [18][19]26년 이상 지속되어 왔다(221년 7월 15일 기준).이러한 계측기에서 측정 원리는 질량이 4그램인 초전도 니오브구의 부상 감시에 기초한다.

통상 도체에서는 전류를 무거운 이온 격자를 통과하는 전자의 유체로 시각화할 수 있다.전자는 격자의 이온과 지속적으로 충돌하며, 충돌할 때마다 전류가 전달하는 에너지의 일부가 격자에 의해 흡수되어 열로 변환되는데, 이는 근본적으로 격자 이온의 진동 운동 에너지입니다.그 결과, 전류에 의해 전달되는 에너지는 항상 소산됩니다.전기저항과 줄가열 현상입니다.

초전도체에서는 상황이 다르다.기존 초전도체에서는 전자 유체를 개별 전자로 분해할 수 없다.대신, 쿠퍼 쌍으로 알려진 결합된 전자 쌍으로 구성됩니다.이 쌍은 포논의 교환으로 인한 전자 사이의 흡인력에 의해 발생합니다.이 쌍은 매우 약하며, 작은 열진동으로도 결합이 깨질 수 있습니다.양자역학으로 인해 이 Cooper 쌍의 유체의 에너지 스펙트럼은 에너지 갭을 가지며, 이는 유체를 자극하기 위해 공급되어야 하는 최소한의 에너지 δE가 있음을 의미합니다.따라서 k가 볼츠만의 상수이고 T가 온도인 kT로 주어진 격자의 열에너지보다 δE가 크면 유체는 [20]격자에 의해 산란되지 않는다.따라서 쿠퍼 쌍 유체는 초유체이므로 에너지 손실 없이 흐를 수 있습니다.

모든 알려진 고온 초전도체를 포함한 타입 II 초전도체라고 알려진 초전도체 클래스에서, 전류가 강한 자기장과 함께 인가될 때 명목상의 초전도 전이보다 그리 높지 않은 온도에서 매우 낮지만 0이 아닌 저항률이 나타납니다.전자 전류이는 전자 초유체 내 자기 소용돌이의 움직임으로 인해 전류가 전달하는 에너지의 일부가 소멸됩니다.전류가 충분히 작으면 소용돌이는 정지하고 저항률은 사라집니다.이 영향으로 인한 저항은 비초전도성 재료에 비해 매우 작지만 민감한 실험에서는 고려해야 합니다.하지만, 온도가 공칭 초전도 전이보다 훨씬 낮게 떨어지면, 이러한 소용돌이는 "보텍스 유리"로 알려진 무질서하지만 정지된 상태로 동결될 수 있습니다.이 소용돌이 유리 전이 온도 아래에서 재료의 저항은 정말로 0이 됩니다.

상전이

초전도상 전이 시 열용량(cv, blue)과 저항률(θ, green)의 거동

초전도 재료는 온도 T가 임계 온도 T 이하로 내려가면c 초전도 특성이 나타난다.이 임계 온도의 값은 재료마다 다릅니다.기존의 초전도체는 보통 임계 온도가 20 K에서 1 K 미만입니다. 예를 들어 고체 수은은 임계 온도가 4.2 K입니다.2015년 현재, 기존 초전도체에서 발견된 최고 임계 온도는 HS의 경우2 203K이지만, 약 90기가파스칼의 고압이 [21]필요했다.구리 초전도체는 임계 온도가 훨씬 더 높을 수 있다: 최초로 발견된 구리 초전도체 중 하나인 YBaCuO는237 임계 온도가 90 K를 넘고 수은 기반 구리도체는 130 K를 넘는 임계 온도가 발견되었다.높은 임계 온도의 원인이 되는 기본적인 물리적 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다.그러나 두 개의 전자 쌍이 관련되어 있는 것은 분명하지만 쌍방의 특성( swave vs \ dwave)은 여전히 [22]논란의 여지가 있다.

마찬가지로 임계온도보다 낮은 일정한 온도에서 임계자기장보다 큰 외부자기장이 인가되면 초전도물질은 초전도상태가 된다.이는 초전도상의 깁스 자유 에너지가 자기장과 함께 2차적으로 증가하는 반면 정상상의 자유 에너지는 자기장과 거의 독립적이기 때문이다.만약 물질이 자기장이 없는 상태에서 초전도 위상 자유 에너지가 정상 위상보다 낮다면, 그래서 자기장의 유한 값(제로 자기장에서 자유 에너지의 차이의 제곱근에 비례함)에 대해 두 자유 에너지는 같을 것이고 t로 위상 천이가 될 것입니다.정상 국면이 올 겁니다일반적으로 온도가 높고 자기장이 강할수록 초전도하는 전자의 비율이 작아지고 결과적으로 외부 자기장과 전류의 런던 침투 깊이가 길어집니다.위상 천이 시 관통 깊이가 무한해집니다.

초전도의 시작은 상전이의 특징인 다양한 물리적 성질의 갑작스러운 변화를 동반합니다.예를 들어, 전자 열 용량은 정상(비초전도) 상태의 온도에 비례합니다.초전도 천이에서는, 불연속적인 점프를 경험해, 그 후 직선화를 멈춘다.저온에서는 대신 일정한 α에 대해 e로−α/T 변화합니다.이러한 기하급수적인 행동은 에너지 격차의 존재에 대한 증거 중 하나입니다.

초전도 상전이의 순서는 오랫동안 논쟁의 대상이었다.실험에 따르면 전이는 2차적인 것으로 나타나 잠열이 없음을 의미합니다.그러나 외부 자기장의 존재에는 잠열이 존재하는데, 초전도상은 정상상보다 임계 온도 이하의 엔트로피가 낮기 때문입니다.그 결과 임계장 이상으로 자기장이 증가하면 그 결과 상전이 초전도 물질의 온도 저하로 이어진다는 것이 실험적으로[23] 증명되었다.

1970년대의 계산에서는 전자기장의 장거리 변동의 영향으로 인해 실제로는 약 1차일 수 있음을 시사했다.1980년대에 이론적으로 초전도체의 소용돌이 선이 주요한 역할을 하는 무질서장 이론의 도움으로, 전이는 타입 II 체제 내에서 2차, 타입 I 체제 내에서 1차(잠열)이며, 두 영역이 트리크릭 [24]점에 의해 분리된다는 것이 증명되었다.결과는 몬테카를로 컴퓨터 시뮬레이션에 [25]의해 강력하게 뒷받침되었다.

마이스너 효과

주요 기사:마이스너 효과

초전도체를 약한 외부 자기장 H에 놓고 그 전이온도 이하로 냉각하면 자기장이 방출된다.마이스너 효과는 자기장이 완전히 방출되는 것이 아니라 자기장이 초전도체를 관통하지만, 런던 침투 깊이라고 불리는 매개변수 θ가 물질의 부피 내에서 기하급수적으로 0으로 붕괴하는 것을 특징으로 하는 매우 작은 거리까지만 통과합니다.마이스너 효과는 초전도성의 결정적인 특징이다.대부분의 초전도체에서 런던 투과 깊이는 약 100nm입니다.

마이스너 효과는 때때로 완벽한 전기 도체에서 기대할 수 있는 반자성과 혼동됩니다. 렌츠의 법칙에 따르면 변화하는 자기장이 도체에 인가될 때 도체에 전류를 유도하여 반대 자기장을 생성합니다.완전도체에서는 임의의 큰 전류를 유도할 수 있으며, 그 결과 자기장이 인가된 자기장을 정확하게 상쇄한다.

마이스너 효과는 이와는 다릅니다.초전도 상태로 이행하는 동안 발생하는 자발적 방출입니다.일정한 내부 자기장을 포함하는 물질이 정상 상태라고 가정합니다.재료가 임계 온도 이하로 냉각되면 내부 자기장이 갑자기 방출되는 현상을 관찰할 수 있는데, 렌즈의 법칙으로는 예상할 수 없는 현상입니다.

마이스너 효과는 프리츠와 하인츠 런던 형제에 의해 현상학적 설명을 제공받았는데, 그는 초전도체에서의 전자 자유 에너지가 최소화된다는 것을 보여주었다.

여기서 H는 자기장, θ는 런던 침투 깊이입니다.

런던 방정식으로 알려진 이 방정식은 초전도체의 자기장이 표면에서 어떤 값을 가지고 있든지 간에 기하급수적으로 감소한다고 예측한다.

자기장이 거의 없거나 아예 없는 초전도체는 마이스너 상태라고 한다.적용된 자기장이 너무 크면 마이스너 상태가 무너집니다.초전도체는 이 붕괴가 어떻게 일어나는지에 따라 두 종류로 나눌 수 있다.제1종 초전도체는 인가장 강도가 임계치c H 이상으로 상승하면 초전도성이 갑자기 파괴된다.시료의 형상에 따라서는 자기장을 가진 정상물질 영역과 필드를 포함하지 않는 초전도물질 영역이 혼합된 바로크[27] 패턴으로 이루어진 중간 상태를[26] 얻을 수 있다.타입 II 초전도체에서는 인가된 자기장을 임계치c1 H를 넘어 올리면 혼합상태(볼텍스상태라고도 함)로 이어지며, 자속이 물질을 침투하지만 전류가 너무 크지 않은 한 전류의 흐름에 대한 저항은 없다.두 번째 임계 전계 강도c2 H에서는 초전도성이 파괴된다.혼합 상태는 실제로 전자 초유체 내의 소용돌이에 의해 발생하는데, 이러한 소용돌이에 의해 운반되는 유속이 양자화되기 때문에 플럭슨이라고 불리기도 합니다.니오브와 카본 나노튜브를 제외한 대부분의 순수한 원소 초전도체는 I형이고, 반면 거의 모든 불순물과 복합 초전도체는 II형입니다.

런던 모먼트

반대로 회전하는 초전도체는 스핀축에 정확히 정렬된 자기장을 생성합니다.중력 탐사선 B에서는 런던의 순간이라는 효과가 잘 활용되었다.이 실험은 회전축을 결정하기 위해 4개의 초전도 자이로스코프의 자기장을 측정했다.이것은 특징 없는 구의 스핀 축을 정확하게 결정하는 몇 안 되는 방법 중 하나이기 때문에 실험에 매우 중요했습니다.

초전도 역사

주요 기사:초전도 역사
초전도 발견자인 하이케 카메링 오네스(오른쪽).폴 에렌페스트, 헨드릭 로렌츠, 닐스 보어가 왼쪽에 서 있다.

초전도성은 [28]최근 생산된 액체 헬륨을 냉매로 사용하여 극저온에서 고체 수은의 저항을 연구하던 헤이케 카메링 오네스에 의해 1911년 4월 8일 발견되었다.그는 4.2 K의 온도에서 저항이 갑자기 [29]사라지는 것을 관찰했다.같은 실험에서 그는 헬륨의 중요성을 인식하지 못한 채 2.2K에서 초유체 전이를 관찰했다.발견의 정확한 날짜와 정황은 오네스의 수첩이 [30]발견된 한 세기 후에야 재구성되었다.그 후 수십 년 동안, 초전도 현상은 몇몇 다른 물질에서 관찰되었다.1913년에는 납이 7K에서 초전도하고 1941년에는 니오브 질화물이 16K에서 초전도하는 것이 발견되었다.

초전도성이 어떻게 그리고 왜 작용하는지 알아내기 위해 많은 노력을 기울였다; 중요한 단계는 1933년 마이스너와 오흐센펠트가 초전도체가 적용된 자기장을 제거한다는 것을 발견했을 때 일어났는데, 이는 마이스너 [31]효과로 알려지게 되었다.1935년 프리츠 런던과 하인츠 런던은 마이스너 효과가 초전도 [32]전류에 의해 전달되는 전자기 자유 에너지의 최소화의 결과라는 것을 보여주었다.

런던 구성 방정식

초전도에 대해 처음 구상된 이론 모델은 완전히 고전적이었다: 그것은 런던의 구성 방정식으로 요약된다.프리츠 런던과 하인츠 런던 형제가 초전도체에서 자기장이 방출된다는 것을 발견한 직후인 1935년에 제안한 것이다.이 이론의 방정식의 주요 업적은 마이스너 [31]효과를 설명하는 능력입니다. 마이스너 효과는 물질이 초전도 임계값을 통과할 때 모든 내부 자기장을 기하급수적으로 방출합니다.런던 방정식을 이용하면 표면과의 거리에 대한 [33]초전도체 내부의 자기장의 의존성을 얻을 수 있다.

런던의 초전도체에 대한 두 가지 구성 방정식은 다음과 같습니다.

첫 번째 방정식은 초전도 전자에 대한 뉴턴의 제2법칙에서 따랐습니다.

종래의 이론(1950년대)

1950년대 동안, 이론적인 응집 물질 물리학자들은 "기존" 초전도에 대해 주목할만하고 중요한 이론들, 즉 현상학적 긴츠부르크-란다우 이론과 미시적 BCS 이론들을 통해 이해하게 되었다.[34][35]

1950년에 란다우와 [36]긴츠부르크가 초전도 현상에 대한 긴츠부르크-란다우 이론을 고안했다.란다우의 2차 위상 전이 이론과 슈뢰딩거 같은 파동 방정식을 결합한 이 이론은 초전도체의 거시적 특성을 설명하는 데 큰 성공을 거두었다.특히, Abrikosov는 긴츠부르크-란다우 이론이 현재 타입 I과 타입 II라고 불리는 두 가지 범주로 초전도체를 나눌 것을 예측한다는 것을 보여주었다.Abrikosov와 Ginzburg는 그들의 업적으로 2003년 노벨상을 받았다.긴츠부르크-란다우 이론의 4차원 확장, 콜먼-바인버그 모델은 양자장 이론과 우주론에서 중요하다.

또한 1950년 맥스웰과 레이놀즈 등은 초전도체의 임계 온도가 구성 [37][38]원소의 동위원소 질량에 의존한다는 것을 발견했다.이 중요한 발견은 전자와 포논의 상호작용을 초전도 현상을 일으키는 미시적 메커니즘으로 지목했다.

초전도 이론의 완전한 현미경 이론은 1957년 바딘, 쿠퍼,[35] 슈리퍼에 의해 마침내 제안되었다.이 BCS 이론은 초전도 전류를 포논의 교환을 통해 상호작용하는 전자 쌍인 쿠퍼 쌍의 초유체로 설명했습니다.이 업적으로 작가들은 1972년 노벨상을 받았다.

BCS 이론은 1958년 N. N. Bogolyubov가 원래 변이론에서 파생된 BCS 파동 함수를 전자 해밀턴의 [39]표준 변환을 사용하여 얻을 수 있다는 것을 보여주었을 때 더욱 확고한 기초 위에 세워졌다.1959년, Lev Gor'kov는 BCS 이론이 임계 [40][41]온도에 가까운 긴츠부르크-란다우 이론으로 축소되었음을 보여주었다.

기존 초전도체에 대한 BCS 이론의 일반화는 람다 전이 보편성 부류에 속하기 때문에 초유체 현상을 이해하는 기초를 형성합니다.그러한 일반화가 비상식 초전도체에 적용될 수 있는 정도는 여전히 논란이 되고 있다.

추가 이력

초전도의 첫 번째 실용적 적용은 1954년 더들리 앨런 벅의 크라이오트론 [42]발명과 함께 개발되었습니다.임계 자기장의 값이 크게 다른 두 개의 초전도체가 컴퓨터 소자를 위한 빠르고 간단한 스위치를 만들기 위해 결합됩니다.

1911년 초전도를 발견한 직후, 카메링 오네스는 초전도 권선으로 전자석을 만들려고 시도했지만, 그가 조사한 물질에서 상대적으로 낮은 자기장이 초전도를 파괴한다는 것을 발견했다.훨씬 후 1955년, G. B. Yntema는[43] 초전도 니오브 와이어 권선으로 0.7테슬라 철심 전자석을 만드는 데 성공했습니다.그리고 1961년에 J. E. 쿤즐러, E.Buehler, F. S. L. Hsu, J. H. Wernick은[44] 4.2 켈빈에서 니오브-주석 3부분과 주석 1부분으로 구성된 화합물이 테슬라 8의 자기장에서 평방 센티미터당 10만 암페어 이상의 전류 밀도를 지원할 수 있다는 놀라운 사실을 발견했습니다.니오브-주석은 부서지기 쉽고 제작이 어렵지만 20테슬라까지 높은 자기장을 생성하는 슈퍼 마그넷에 매우 유용한 것으로 입증되었습니다.1962년 T. G. Berlincourt와 R. R. Hake는[45][46] 니오브와 티타늄의 연성 합금이 최대 10테슬라까지 적용하기에 적합하다는 것을 발견했습니다.그 후 곧바로 니오브-티타늄 초자성 와이어의 상업적인 생산이 웨스팅하우스 전기와 와창에서 시작되었다.니오브-티타늄은 니오브-주석에 비해 덜 인상적인 초전도 특성을 자랑하지만, 니오브-티타늄은 매우 높은 연성과 제작의 용이성 때문에 가장 널리 사용되는 초자석 재료가 되었다.그러나 니옵-주석과 니옵-티타늄은 모두 MRI 의료 이미지, 거대한 고에너지 입자 가속기를 위한 휘어짐 및 초점 자석 및 기타 많은 응용 분야에서 광범위하게 사용된다.유럽 초전도 컨소시엄인 코넥터스는 2014년 초전도 불가결의 세계 경제활동 규모가 약 50억 유로로 그 중 80%를 MRI 시스템이 차지할 것으로 추산했다.

1962년 조지프슨은 [47]초전도체의 얇은 단열재로 분리된 두 조각 사이에 초전류가 흐를 수 있다는 중요한 이론적 예측을 했다.현재 조지프슨 효과라고 불리는 이 현상은 SQUID와 같은 초전도 장치에 의해 이용된다.이 값은 자속 양자0 δ = h/(2e)의 가장 정확한 측정에 사용됩니다. 여기서 h는 플랑크 상수입니다.양자 홀 저항률과 결합하면 플랑크 상수를 정확하게 측정할 수 있습니다.조셉슨은 1973년에 [48]이 공로로 노벨상을 받았다.

2008년, 초전도성을 생성하는 동일한 메커니즘이 거의 무한대의 전기 [49]저항을 가진 일부 물질에서 초절연체 상태를 생성할 수 있다는 것이 제안되었습니다.2020년 초전도 보스-아인슈타인 응축물(BEC)의 첫 번째 개발과 연구는 BEC와 [50][51]바딘-쿠퍼-쉬리퍼 체제 사이에 "원활한 이행"이 있음을 시사한다.

고온 초전도

주요 기사:고온 초전도
초전도 물질의 연대표.색상은 다양한 종류의 재료를 나타냅니다.
  • BCS(진녹색 원)
  • 헤비페리온 베이스(연두색 별)
  • 큐레이트(블루 다이아몬드)
  • Buckminsterfullerene 기반(보라색 역삼각형)
  • 카본 알로트로프(빨간색 삼각형)
  • 철피닉토겐계(주황색 사각)
  • 스트론튬_루테네이트(회색 오각형)
  • 니켈계(분홍색 6점 별)

1986년까지, 물리학자들은 BCS 이론이 약 30 K 이상의 온도에서 초전도 현상을 금지한다고 믿어왔다.그해 베드노르츠와 뮐러는 랜턴 기반의 구리 산화 바륨(LBCO) 물질에서 초전도 현상을 발견했는데, 이 물질은 전이 온도가 35 K(Nobel Prize in Physical, 1987)[7]였다.랜턴을 이트륨(YBCO를 만드는 것)으로 대체하면 임계 온도가 90 [52]K 이상으로 상승한다는 것이 곧 밝혀졌습니다.

이 온도 상승은 액체 질소를 냉매로 사용하여 액체 [52]헬륨을 대체하기 때문에 특히 중요합니다.액체 질소는 현장에서조차 비교적 저렴하게 생산될 수 있기 때문에 이것은 상업적으로 중요할 수 있다.또한 온도가 높으면 액체 헬륨 온도에서 발생하는 일부 문제를 피할 수 있습니다. 예를 들어, 냉동 공기의 플러그가 형성되어 극저온 라인을 차단하고 예상치 못한, 그리고 잠재적으로 위험한 압력 [53][54]증강을 일으킬 수 있습니다.

그 후 많은 다른 초전도체들이 발견되었고, 이 물질들의 초전도 이론은 이론적인 응축 물질 [55]물리학의 주요한 도전 중 하나이다.현재 두 가지 주요 가설이 있습니다. 공명-가 결합 이론과 연구 [56]커뮤니티에서 가장 많은 지지를 받는 스핀 변동입니다.두 번째 가설은 고온 초전도체에서의 전자 쌍이 파라마뇽으로 [57][58][dubious – discuss]알려진 단거리 스핀파에 의해 매개된다는 것을 제안했다.

2008년 홀로그래픽 이중성 또는 AdS/CFT 대응이론을 이용한 홀로그래픽 초전도(holographic supervatic supervativity)는 특정 [59]물질의 고온 초전도에 대한 가능한 설명으로 Gubser, Hartnoll, Herzog, Horowitz에 의해 제안되었다.

약 1993년부터 알려진 가장 높은 온도 초전도체는 수은, 바륨, 칼슘, 구리 및 산소(HgBaCaCuO2238+δ)로 구성된 세라믹 물질로, Tc = 133–[60][61]133 K이다.

2008년 2월에는 고온 초전도체의 철계 패밀리가 발견되었다.[62][63]도쿄 공업대학의 호소노 히데오씨와 동료들은 26K이하에서 초전도하는 옥시피닉타이드인 란타넘 산소 불소 철 비소화물(LaOFeAs1−xx)을 발견했다.LaOFeAs의1−xx 랜턴을 사마륨으로 대체하면 [64]55K에서 작동하는 초전도체가 됩니다.

2014년과 2015년에는 초고압(약 150기가파스칼)의 황화수소(HS
2)가 최초로 예측된 후 이행온도가 [65][66][67]80K인 고온 초전도체임이 확인되었다.또한 2019년에는 170기가파스칼의 [68][67]압력으로 250K의 초전도체가 되는 LaH(LaH
10).

2018년 미국 매사추세츠공대 물리학과 연구팀은 냉각과 소량의 전하를 가할 때 한 층이 약 1.1도 각도로 뒤틀린 이중층 그래핀에서 초전도 현상을 발견했다.고온 환경에서 실험을 하지 않았더라도 외부 원자를 [69]도입할 필요가 없다는 점에서 고전적인 초전도체보다는 고온 초전도체와 상관관계가 있다.초전도 효과는 "스카이미온"이라고 불리는 그래핀 층 사이의 소용돌이로 뒤틀린 전자의 결과로 나타났습니다.이것들은 단일 입자로 작용하고 그래핀의 층을 가로질러 짝을 이룰 수 있으며, 초전도 [70]상태에 필요한 기본적인 조건들을 이끌어냅니다.

2020년, 약 270기가파스칼의 압력으로 수소, 탄소, 황으로 만들어진 상온 초전도체가 네이처에 [71]실린 논문에 기술되었다.이것은 현재 어떤 물질도 초전도 상태를 [67]보인 가장 높은 온도입니다.

적용들

주요 기사:초전도 기술의 응용
YBCO 초전도 부상 영상

초전도 자석은 알려진 가장 강력한 전자석 중 하나이다.MRI/NMR 기계, 질량 분석기, 입자 가속기에 사용되는 빔 스티어링 자석 및 일부 토카막의 플라즈마 구속 자석에 사용됩니다.또한 안료 산업처럼 자성 입자가 적거나 비자성 입자의 배경에서 약한 자성 입자를 추출하는 자기 분리에도 사용할 수 있습니다.덴마크에서 [72]산업용 3.6 메가와트 초전도 풍차 발전기를 성공적으로 시험하여 높은 전류로 인한 제약을 극복하기 위해 대형 풍력 터빈에도 사용할 수 있습니다.

1950년대와 1960년대에 초전도체는 크라이오트론 [73]스위치를 사용하여 실험적인 디지털 컴퓨터를 만드는데 사용되었다.최근에는 고속단속 양자 기술과 휴대전화 기지국용 RF 및 마이크로파 필터를 기반으로 한 디지털 회로 제작에 초전도체가 사용되고 있다.

초전도체는 알려진 것 중 가장 민감한 자기계인 SQUID(초전도 양자 간섭 소자)의 구성 요소인 조지프슨 접합부를 만드는 데 사용된다.SQUID는 SQUID 현미경과 자기 뇌 촬영에 사용된다.SI 전압을 실현하기 위해 일련의 Josephson 장치가 사용됩니다.초전도 광자[74] 검출기는 다양한 장치 구성에서 실현될 수 있다.특정 동작 모드에 따라 초전도체-절연체-슈퍼컨덕터 조지프슨 접합부를 광자 검출기 또는 믹서로 사용할 수 있다.정상 상태에서 초전도 상태로 이행할 때 큰 저항 변화는 극저온 마이크로 열량계 광자 검출기의 온도계를 구축하는 데 사용된다.초전도 물질로 만든 초감응 열량계에서도 같은 효과가 사용된다.초전도 나노와이어 단일 광자 검출기는 고속, 저소음 단일 광자 검출을 제공하며 고급 광자 계수 애플리케이션에 [75]널리 사용되어 왔다.

고온 초전도 기반의 디바이스의 상대적인 효율성, 크기 및 중량 이점이 관련 추가 비용을 초과하는 다른 초기 시장이 생겨나고 있습니다.예를 들어 풍력 터빈에서 초전도 발전기의 무게와 부피가 낮으면 건설 비용과 타워 비용이 절감되어 발전기의 높은 비용을 상쇄하고 총 평준화 전기 비용(LCOE)[76]을 낮출 수 있습니다.

인근 미래의 애플리케이션 고성능 스마트 그리드, 송전, 변압기, 전력 저장 장치, 전기 모터(차량 추진 예:vactrains이나 자기 부상에 기차), 자기 부상 장치, 고장 전류 권과 방지 장치, 초전도 materials,[77]과 superconductin과spintronic 장치 강화 등이 있다.g엄마유전자 냉동그러나, 초전도성은 움직이는 자기장에 민감하기 때문에 교류(예: 변압기)를 사용하는 애플리케이션은 직류에 의존하는 애플리케이션보다 개발하기가 더 어려울 것입니다.기존의 송전선로에 비해 초전도 송전선로는 효율이 높고 공간도 극히 일부만 요구되므로 환경 성능 향상뿐만 아니라 전력망 [78]확장에 대한 일반인들의 수용도 향상될 수 있습니다.또 다른 매력적인 산업 측면은 [79]저전압에서의 고출력 전송 능력입니다.냉각 시스템의 효율성 향상과 액체 질소 등 값싼 냉각제 사용으로 초전도성에 필요한 냉각 비용도 크게 감소했습니다.

노벨 초전도상

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