초전도체 – 임계 온도
초전도체는 일반 전도체와는 매우 다른 현상입니다. 예를 들어, 은이나 구리와 같은 최고의 일반 전도체들은 어떠한 온도에서도 초전도체가 될 수 없으며, 새로운 세라믹 초전도체들은 낮은 온도에서 초전도 상태가 아닐 때는 실제로 좋은 절연체입니다. 초전도체와 낮은 온도 사이의 관계는 근본적입니다. 물질이 초전도체가 되기 위해서는 초전도체 전이 온도 또는 임계 온도(Tc)라고 불리는 특정한 온도 아래로 냉각되어야 합니다. 이 전이 온도는 서로 다른 초전도체 재료마다 다르며, 몇 켈빈(K)에서 수백 켈빈에 이르기까지 다양합니다. 낮은 온도에서는 물질의 원자 진동이 감소하여 전자의 흐름을 방해하는 장애물이 줄어듭니다. 이는 래티스 진동에 의해 결합된 전자쌍인 쿠퍼 페어의 형성으로 이어집니다. 일반 금속에서는 전자들이 물질의 격자 구조에 있는 원자들과 충돌할 때 저항을 경험하지만, 초전도체에서는 쿠퍼 페어가 격자 구조를 통해 저항 없이 움직일 수 있습니다.
초전도체의 유형
초전도체는 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.
1형 초전도체: 이들은 단일 임계 자기장을 가지며, 그 이하에서는 완전한 전도성을 나타내고, 그 이상에서는 갑자기 초전도성을 잃습니다. 이들은 “부드러운” 초전도체라고도 불립니다. 1형 초전도체의 예로는 수은, 납, 주석 등이 있습니다.
2형 초전도체: 이들은 두 개의 임계 자기장을 가지며, 그 사이에서는 재료의 일부분만이 초전도체 상태를 나타냅니다. 이들은 “단단한” 초전도체라고도 불립니다. 2형 초전도체의 예로는 니오븀-티타늄, 니오븀-주석, YBCO(이트륨 바륨 구리 산화물) 등이 있습니다. 2형 초전도체는 1형 초전도체보다 더 높은 자기장과 온도에서 작동할 수 있으며, MRI 기계나 입자 가속기와 같은 응용 분야에서 강한 자기장의 존재 하에서도 초전도성을 유지할 수 있기 때문에 실용적인 응용 분야에서 더 널리 사용됩니다.
임계 온도
임계 온도(Tc)는 물질이 전기 저항 없이 완벽한 반자성을 나타내는 온도 아래로 있을 때의 중요한 파라미터입니다. Nb3Sn 및 NbTi와 같은 전통적인 초전도체의 경우, 임계 온도는 상대적으로 낮으며, 재료와 샘플의 조건에 따라 약 9 K (-264 °C)에서 18 K (-255 °C)까지 다양합니다. 반면에, 컵레이트 및 철 기반 초전도체와 같은 고온 초전도체는 훨씬 더 높은 임계 온도를 가지며, 기록적으로 가장 높은 Tc 재료인 HgBa2Ca2Cu3O8+δ의 경우 약 30 K (-243 °C)에서 138 K (-135 °C)에 이릅니다.
초전도체 – 재료
다음은 그들의 주요 특성과 함께 10가지 초전도체의 표입니다.
초전도체: 주석 (Sn)
화학 공식: Sn
유형: 1형
임계 온도 (K): 3.72
임계 자기장 (T): 0.005
초전도체: 납 (Pb)
화학 공식: Pb
유형: 1형
임계 온도 (K): 7.19
임계 자기장 (T): 0.015
초전도체: 수은 (Hg)
화학 공식: Hg
유형: 1형
임계 온도 (K): 4.15
임계 자기장 (T): 0.091
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