보아즈 알모그, 초전도체를 "공중부양" 시키다.

잠시동안 관찰하신 이 현상은 양자 부상과 양자 고정(locking)이라고 불립니다. 공중부양을 하고 있는 이 물체는 초전도체라고 불리지요. 초전도 현상은 물질의 양자역학적 상태로 온도가 특정한 수준 이하로 낮아져야만 나타날 수 있습니다.

이 현상은 사실 100년전에 발견된 오랜동안 알려져 있던 현상입니다. 하지만, 겨우 근래에 들어서야 여러 기술의 진보에 의해 이렇게 여러분에게 양자 부상과 양자 고정을 시연해드릴 수 있게 되었습니다.

초전도체는 두가지의 성질들로 정의될 수 있습니다. 첫 성질은 전류의 흐름에 대항하는 저항이 없고, 둘째로 자기장을 초전도체 내부로부터 완전히 밀어내는 성질이 있습니다. 복잡하게 들리시죠? 하지만 전기 저항이 무엇인가요? 전류는 물체 안에서 일어나는 전자들의 흐름입니다. 그리고 이 전자들이 흐르는 도중 물체를 이루고 있는 원자들과 충돌하고, 이 충돌의 결과로 전자들은 일정량의 에너지를 잃게됩니다. 그리고 이 에너지는 열로 변환되어 외부로 소실됩니다. 이 효과는 익히 알고 계실겁니다. 하지만, 초전도체 내부에서는 전자의 충돌이 일어나지 않습니다. 그래서 에너지의 소실도 없지요.

생각해보면, 아주 놀라운 효과입니다. 고전 물리에서는, 어느 역학 과정에나 항상 마찰이 존재하고, 에너지 소실이 뒤따릅니다. 하지만, 우리가 보고 있는 현상은 양자 물리 효과입니다. 게다가, 그게 다가 아닙니다. 초전도체들은 자기장을 싫어하기 때문이죠. 그래서, 초전도체는 자기장을 내부로 부터 밀쳐내려 합니다, 그러기 위해 초전도체는 순환전류를 생성해냅니다. 이제, 이 두 효과 : 자기장을 밀어내는 성질과 전기 저항이 없는 상태의 조합이 초전도체를 정의합니다.

하지만, 이 설명이 항상 완벽하지는 않습니다. 종종 자기선들이 초전도체의 내부에 남아있기도 하기 때문입니다. 우리가 여기 마련한 것 같이, 적절한 환경에선 이 자기선들은 초전도체 내에 갇히게 됩니다. 그리고 초전도체 내부의 이 자기선들은 서로 떨어져 분리된 상태로 생겨납니다. 왜 그럴까요? 양자 역학적 현상이기 때문입니다. 양자 물리로 설명가능하죠. 그리고 초전도체를 관통하는 자기선들은 입자처럼 움직인다는 것이 밝혀졌습니다.

이 영상에서, 자기선이 개개로 관통하여 어떻게 흐르는지 볼 수 있습니다. 이것들은 자기선입니다. 입자들이 아닙니다. 하지만 입자처럼 행동하죠. 이것이 바로 우리가 이 효과를 "양자" 부상과 "양자" 고정이라고 부르는 이유입니다.

만약 초전도체를 자기장 속에 넣으면 어떤 일이 벌어질까요? 우선, 내부에 남아있는 자기선들이 있죠. 하지만, 초전도체는 이 자기선들이 돌아다니는 것을 싫어하죠. 이 자기선들의 움직임이 에너지 소실을 일으키고, 그 결과 초전도 상태가 깨질 수 있기 때문입니다. 그래서, 초전도체는 자기선속양자(fluxon) 라고 불리는 자기선들을 그 자리에 고정시킵니다, 그 결과, 초전도체 자체가 한 자리에 고정됩니다. 왜 그럴까요? 초전도체를 조금만 움직여도 자기장에 대한 자신의 위치를 바꿀 것이고, 그리고, 자기선의 배열을 바꿀 것이기 때문입니다.

이로써, 양자 고정 현상이 생깁니다. 이것들이 어떻게 일어나는지 시범을 보여드리겠습니다. 우선 여기, 낮은 온도를 충분히 유지하기 위해 포장한 초전도체가 잇습니다. 이 초전도체를 일반 자석 위에 올려놓으면 공중에 고정되어 가만히 있습니다.

(박수)

하지만, 이것은 단지 공중부양이 아닙니다. 단지 반발작용인 것이 아닙니다. 자기선속양자들을 재배열하면, 초전도체는 그 배열을 유지하려 합니다. 이렇게, 아니면 오른쪽, 왼쪽으로 조금 움직여 놓을 수 있습니다. 그래서, 이 현상을 양자 고정이라 부릅니다. 말그대로, 초전도체의 3차원적 위치를 고정시킬수 있습니다. 물론, 뒤집어 놓을 수도 있습니다, 그러면 초전도체는 고정된 체 그대로 있죠.

이제, 우리는 흔히 공중부양이라고 부르는 이것이 사실은 고정 현상이라는 것을 보았습니다. 예, 우리는 이 현상을 이해하고 있습니다. 이제 여러분은, 제가 균등한 자기장을 갖는 이 원형 자석위에 초전도체를 올려놓으면 자석의 축을 중심으로 자유롭게 회전할 것이라는 것에 놀라지 않을 것입니다. 왜 그럴까요? 회전하는 동안, 자기선속양자의 배열이 유지되기 때문입니다. 보이시나요? 이렇게 초전도체를 약간 조정할수도 있고 회전시킬 수도 있습니다. 이 움직임은 마찰이 없습니다. 공중부양중에도 자유롭게 움직일 수 있습니다.

이처럼, 우리는 양자 고정 현상을 관찰할 수 있습니다. 그렇다면, 몇 개의 자기선속양자가, 몇 개의 자기선들이, 이 하나의 원반을 관통하고 있을까요? 물론, 우리는 이론적으로 계산을 할 수 있습니다. 그리고, 엄청나게 많은 수라는 사실이 드러났죠. 천억개의 자기선들이 이 3인치(4.8cm) 짜리 원반을 통과합니다.

하지만 그게 놀라운 부분은 아닙니다. 제가 말씀드리지 않은 것이 있거든요. 예, 놀라운 사실은 여기 보고 계시는 초전도체는 겨우 0.5 마이크론 (백만분의 1 미터)의 두께를 가지고 있습니다. 이것은 극도로 얇습니다. 그리고 이 극도록 얇은 원반은 자체의 무게보다 7 만배 더 무거운 물체를 부상시킬수 있습니다. 정말 놀라운 효과이죠. 엄청나게 강력합니다.

이제, 우리는 이 원형 자석의 크기를 늘릴 수 있습니다. 그리고 우리가 원하는 형태의 트랙을 만들 수 있죠. 예를 들어, 우리는 이 커다란 원형 선로를 만들 수 있습니다. 그리고, 이 선로위에 초전도체 원반을 올려 놓으면 자유롭게 움직입니다.

(박수)

그리고, 여전히, 이게 다가 아닙니다. 위치를 이렇게 조정해서 회전시킬 수도 있습니다. 그러면 초전도체는 이 새로운 위치에서 자유롭게 움직입니다. 이제 새로운 것도 시도할 수 있습니다; 이건 처음으로 시도해 보려는 겁니다. 원반을 집어서, 여기에 놓고, 이렇게 남겨져있는 동안 -- 움직이지마-- 제가 이렇게 트랙을 뒤집어 놓을 수도 있습니다. 그리고 바라건데, 제가 옳게 했다면, 초전도체는 매달린 체 남아있습니다.

(박수)

보시다시피, 이것은 공중부양이 아닌 양자 고정입니다. 이제, 잠시 돌고 있도록 두고, 초전도체에 대해 조금 말씀드리고자 합니다. 이제 -- (웃음) -- 우리는 엄청난 양의 전류를 초전도체 내부에 순환시킬 수 있다는 것을 알고 있습니다. 그래서 이를 통해 강력한 자기장을 생성해 낼 수 있습니다. 이 강력한 자기장은 MRI 에도 필요하고, 입자가속기 등등에도 필요합니다. 무엇보다도, 우리는 초전도체에 에너지를 저장해 놓을 수도 있습니다. 에너지 소실이 일어나지 않기 때문이죠.

우리는 전력 케이블을 초전도체로 만들어, 막대한 양의 전류를 발전소 간 전송에 이용 할 수도 있습니다. 우리는 한 발전소가 생산하는 전기량을 단 하나의 초전도 케이블에 저장하는 것을 상상할 수도 있습니다. 그렇다면, 양자 부상과 양자 고정의 미래는 어떨까요? 자, 이 간단한 질문을 예를 통해 대답해 드리겠습니다. 제가 손에 들고 있는 지름 3인치(약5cm) 원반과 비슷한 하지만 한 가지 차이점이 있는 원반을 생각해보세요. 0.5 마이크론의 초전도체층 대신, 2 밀리미터의 초전도체층을 갖고 있다 한다면, 굉장히 얇죠, 이 2 밀리미터 두께의 초전도체는 천 킬로그렘의 물체, 작은 차를 제 손 위에 부상시킬 수 있습니다. 엄청나죠. 감사합니다.

(박수)