초전도체
오늘날 양자 컴퓨터 구현방법은 크게는 초전도 현상, 조셉슨 소자를 이용하는 방법과, 전하를 띤 혹은 중성 입자를 정밀하게 제어하는 이온 트랩 방식의 두가지 방식이 주로 적용되고 있다. 이전 게시글에서 그 외 다양한 방법을 소개했지만, 주로 위의 두 방식을 적용한 시스템이 많다.
보통은 노벨상 수상시에 여러 분야의 안배를 고려하여 수상하는 경향이 있지만, 입자나 천체 물리학 다음으로 응집물질을 연구하는 (초전도체가 그 중 하나) 분야에서 다수의 물리학자들이 노벨상을 수상하였다.
물질을 얼리는 것의 대가는 단연 Onnes(Heike Kamerlingh Onnes, 1853-1926)라는 물리학자를 떠올린다. 최초로 헬륨을 액체로 만들어서 헬륨의 끓는점인 4.5K로 주변을 냉각시키는데 성공하고, 압력을 낮춤으로 1.5K까지 극저온을 달성하였다. 우주의 온도보다 더 낮은 상태를 만든 것이다.
1911년 Onnes는 극저온에서 수은(Hg)의 전기 전도도를 측정하다가 일정 온도 이하에서 갑자기 저항이 사라지는 현상을 발견한다. 그 전까지는 절대 온도 0도가 아니면, 입자들의 움직임이 있고, 이로 인한 산란으로 인해서 저항이 0이 되는 일은 없을 것이며, 따라서 온도에 따라 저항이 선형적으로 감소할 것이라 믿었다. 초전도 현상을 최초로 발견하였고 1913년 노벨 물리학상을 수상한다.
이러한 초전도 현상은 수은의 특수한 성질 때문이 아니다. 그것은 거의 모든 물질들이 일정 온도 이하가 되면 나타나는 보편적인 현상이다. 아래 그림을 보면, 초전도 현상을 보이는 많은 원소들이 있음을 알 수 있다.
개별 입자들이 다수를 이룰 때, 개별입자들에게서 없는 성질들이 창발한다. 이에 대해서 밴드에서 여러 번 얘기했고 그 간단한 예, 혹은 그 원인 중 하나로 통계역학의 핵심 중 하나인 “central limit theorem”에 대해서 얘기했다. 통계역학에 대해서 공부하면 사실, 수많은 사람들이 얘기하는 것이며, renormalization group theory에서도 다수 나오는 표현이다. 이필진 교수가 KAOS강연에서 물리학자 앤더슨의 아래 말을 언급하면서 다시, 무리에서 나오는 창발적 현상을 얘기했을 때, 상당히 반가움을 느꼈다. 앤더슨에 대해서 밴친분들은 잘 모르실 것이다. 실제로, Higgs mechanism을 Anderson-Higgs mechanism이라고 부른다. 앤더슨이 고체 물리 분야에서 Sombrero potential, 자발적 대칭 파괴 현상을 얘기했고, 이를 힉스가 입자 물리학에 슬며시 적용한 것인데, 실제로 힉스가 훨씬 유명해졌다.
초전도 현상의 본질은 전기 저항이 사라지는 것인가? 사실 그것보다 더 핵심적인 내용은 마이스너 효과라고 불리는 것이다. 초전도체 내부에 자기장이 사라지는 현상이며, 자기 부상 열차를 가능하게 하는 현상이다. 1933년 Meissner와 Ochsenfeld 라는 두 물리학자가 발견한 현상이다. 도체 내부에서 전기장이 존재할 수 없음은 전자기학을 공부한 사람이라면 누구나 알고 있다. 그것은 도체내에는 수많은 자유전자들이 존재하고 이들이 전자기장을 상쇄하는 방향으로 이동이 가능하기 때문이다. 또한 time varying 자기장도 eddy current에 의해서 존재할 수가 없지만, static 자기장이 사라지는 현상, 갑자기 자성이 순식간에 사라지는 현상은 초전도 물질만의 독특한 성질이다.
초전도체이면, 문자 그대로 전기를 아주 잘 흘리는, 즉 전기 저항이 0이 되는 것이 본질이 아니냐고 흔히 생각을 하지만, 마이스너 효과가 더 본질적이다. 그 이유는 마이스너 효과를 설명하려면 빛이 물질안에서는 질량을 가진다는 것을 이해해야 하며, 빛이 질량을 가지는 이유는 바로 자발적 대칭 파괴라는 존재들이 존재하는 본질적인 이유와 관련이 깊기 때문이다.
초전도 현상을 이해하려고 수많은 물리학자들, 당대의 모든 대가들, Hisenberg, Einstein, Bohr 등등등, 이 시도를 하였으나 모두 실패하였다. London(Fritz Wolfgang London, 1900~1954)이라는 물리학자가 페르미온 입자가 아니라, 보존 입자들이 초전도체에 존재한다면 마이스너 효과를 효율적으로 설명할 수 있다는, 초전도체 이해의 아주 중요한 단서를 제공한다.
