Ethan에게 물어보세요: LK인가요?

현대를 살아가는 우리의 삶은 전자공학과 전기에너지 기술이 지배하고 있습니다. 대량의 연속 전력에 대한 전 세계적 요구는 에너지 생성에서 전송, 소비에 이르기까지 전반적인 효율성 향상의 필요성을 강조합니다. 이 과정의 모든 단계에서 에너지 손실이 문제가 됩니다. 전류가 흐르는 전선을 통해 전자를 밀어내는 행위 자체가 저항의 전기적 현상으로 인해 에너지를 잃는 명제이기 때문입니다. 전류가 저항 없이 전송될 수 있는 물리적 상황은 단 하나뿐입니다. 물질이 초전도체인 경우입니다. 오늘날 초전도체는 MRI 기계부터 입자 가속기, 자기 융합 장치 등에 이르기까지 매우 다양한 응용 분야를 갖고 있습니다.

그러나 현재 극한의 조건, 즉 매우 낮은 온도에서 초전도를 일으키는 것으로 알려진 유일한 물질입니다. 초전도 연구의 "성배"는 정상적인 조건, 즉 실내 온도와 주변 압력에서 초전도하는 물질을 찾는 것입니다. 우리가 하나를 발견하고 이를 광범위하게 구현할 수 있다면 모든 소비자와 장치 제조업체가 현재 고려해야 할 문제인 에너지 손실 및 미열 문제를 모두 제거할 수 있습니다. 2023년 7월 말, LK-99로 알려진 신소재가 실제로 오랫동안 기다려온 실온 초전도체라는 주장이 나왔습니다. 하지만 그게 진짜인가요? Rob Chapman-Smith와 Clint Sears를 포함하여 많은 분들이 이에 대해 저에게 편지를 보내왔습니다. 그들은 다음과 같이 질문했습니다.

“실시간 희망과 실패의 롤러코스터였기 때문에 현재 모습은 어디에 있습니까… [과학적으로] 말하자면, 이것을 어떻게 복제하고 복제가 올바른지 어떻게 알 수 있습니까? 그것이 틀렸다는 것을 어떻게 알 수 있습니까?”

사실이라면 세상을 변화시킬 주장이 나올 때마다, 현재 우리가 알고 있는 것뿐만 아니라 무엇이 사실이고 아닌지를 정확하게 판단하기 위해 알아야 할 것도 이해하는 것이 중요합니다. 과학 속으로 뛰어들어 알아봅시다!

모든 물질은 전류를 통과시키려고 할 때(즉, 전자가 물질 내부를 움직이게 하려고 할 때) 일종의 저항을 나타냅니다. 모든 재료에는 당연히 저항률이라는 특성이 있기 때문입니다. 재료의 저항률에 길이를 곱하고 단면적으로 나눈 값이 일반적으로 저항이라고 부르는 값과 같습니다. (옴의 법칙을 배운 분들을 위해 V = IR, V는 전압, I는 전류, R은 저항입니다.) 더 짧고 두꺼운 와이어를 만들면 저항이 낮아집니다. 더 길고 얇은 와이어를 만들면 저항이 올라갑니다.

그러나 대부분의 상황에서 저항률은 그러한 물질의 절대적인 특성이 아니라 해당 물질의 온도에 따라 달라집니다. 더 높은 온도에서는 원자 내의 분자, 원자, 심지어 아원자 입자까지 더 빠르게 움직이며 온도가 높아질수록 저항률도 더 커집니다. 그러나 그 반대도 마찬가지입니다. 낮은 온도에서는 내부 입자가 더 느리게 움직이고, 입자당 에너지가 적고, 일반적으로 상호 작용이 적고, 저항률이 떨어집니다.

대부분의 재료에 대해 이것이 이야기의 끝입니다. 저항률을 0으로 얻으려면 물리적으로 도달할 수 없는 상태인 절대 0에 도달해야 하며, 따라서 재료의 다른 특성에 관계없이 저항이 0이 됩니다. 그러나 일부 재료에는 냉각할 수 있는 임계값이 있으며, 해당 임계값에 도달하면 저항과 저항이 동시에 0으로 급락합니다. 이러한 물질은 초전도체이며 저항률과 저항이 0인 상태가 초전도 상태입니다.

초전도체가 있을 때 무엇을 성취하고 창조할 수 있는지에 대해 고민하기보다는(대부분의 가능성이 아직 발견되지 않았기 때문에) 물리학적 관점에서 물질이 초전도성을 가질 수 있는 이유를 이해하도록 돕고 싶습니다. 일반적인 상황에서는 도체 내에서도 전하가 이동하는 것만으로도 물질이 초전도 상태에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다.