초전도 현상이란 특정한 온도에서 물체의 전기저항이 사라지는 것을 말합니다. 이렇게 전기저항이 완전히 사라진 물질을 초전도체라고 합니다. 초전도체는 두 가지 특성을 가지고 있습니다. 그 하나가 이처럼 전기저항이 아예 없다는 것입니다.

세상에 존재하는 모든 물질에는 전류의 흐름을 방해하는 전기저항이 존재합니다. 열이나 전기를 잘 전달하는 물체인 도체도 전기저항이 있습니다. 우리가 전선을 통해 전기를 흐르게 하면 약간의 전기저항이 있기 때문에 전기에너지가 조금씩 열로 변해 사라집니다.

그러나 초전도체는 전기저항이 ‘영0’입니다. 전기저항이 0이 된다는 것은 전기에너지가 이동 중 손실되지 않는다는 뜻입니다. 즉 전기회로에서 전력 손실이 생기지 않고, 저항에 의한 열이 발생하지 않아 에너지가 낭비되지 않는다는 것입니다.

초전도체는 1911년 처음 발견됐습니다. 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스^{Kamerlingh Onnes}가 액체 헬륨을 이용해 절대온도 4.2K (-268.8℃)의 극저온 상태에서 놀랍게도 수은의 전기저항이 0이 되는 현상을 발견했습니다. 이때 전기저항이 없어지는 온도를 ‘임계온도’라고 합니다. 오네스는 기체 헬륨을 압축해 절대온도 4.2K의 액체 헬륨을 만들어냈습니다. 절대온도 0K(절대영도)는 –273.15℃입니다.

초전도체의 또 다른 특성은 ‘마이스너 효과’입니다. 초전도 현상이 나타나면 물체가 자석 위에 둥둥 떠오르는 신기한 현상이 나타납니다. 초전도체가 내부의 자기장을 밀어내는 성질(반자성^反磁性)을 갖고 있기 때문입니다. 이 같은 자기 반발을 마이스너 효과라고 합니다.

초전도체 위에 자석을 놓으면 초전도체의 내부 자기장이 세지면서 외부 자기장과 상쇄되는 방향, 즉 자석을 밀어내는 방향으로 자기장을 형성합니다. 이때 저항이 없으므로 내부에서 발생한 자기장이 외부의 자기장과 반발하는 반자성 특성이 사라지지 않아 자기장이 자석을 계속 밀어냅니다. 그 때문에 초전도체와 자석을 가까이 두면 자석이 공중에 뜨게 됩니다.

예를 들어 놀이터의 놀이기구가 자석으로 만들어져 있고 바닥이 초전도체로 되어 있다면 놀이기구가 공중에 둥둥 떠서 움직일 수 있습니다. 또 전자석으로 된 물체가 떠 있는 상태에서 수평력을 가하면 마찰력이 작용하지 않아 적은 에너지로도 엄청난 속도로 이동하는 자기부상열차가 가능해집니다. 마이스너 효과는 1933년 독일의 물리학자 발터 마이스너^{Walther Meissner}와 로베르트 오센펠트^{Robert Ochsenfeld}에 의해 발견됐습니다.

문제는 전기저항이 0이고 마이스너 효과를 보인다는 엄청난 특성을 지녔음에도 초전도 현상이 극저온에서만 이뤄져 실제로 활용하는 데 어려움이 많다는 점입니다. 즉 임계온도가 극저온인 점이 최대 장벽입니다. 임계온도에 도달하려면 값비싼 액체 헬륨이나 액체 질소 등으로 냉각해야 하기 때문에 비용 부담이 매우 큽니다.

지금까지 초전도체의 두 특성은 주로 극저온(-268.8℃, -196℃)에서 관측이 가능했습니다. 액체 질소를 이용하면 -196℃까지 온도를 낮출 수 있습니다. 액체 질소가 공기로 바뀌면서 주위의 온도를 빼앗아가기 때문입니다. -196℃까지 온도가 내려가면 빛처럼 움직이던 전자가 자전거를 타듯 천천히 움직입니다. 액체 헬륨 (-268.8℃)을 이용하면 가격이 질소보다 30배나 비쌉니다. 임계온도가 낮을수록 냉각 비용이 많이 듭니다.

이런 이유로 오네스가 초전도 현상을 발견한 이후 많은 물리학자가 100년 넘도록 상온에서 초전도 현상을 보이는 물질을 개발하려는 연구를 지속해왔습니다. 상온 초전도체는 273K, 즉 섭씨 0도 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질을 말합니다. 상온 초전도체 개발은 곧 과학계의 숙원이었습니다. 하지만 기술이 너무 어려워 구현이 불가능하다고 생각하는 물리학자들도 있었습니다. 그만큼 상온에서 존재하는 초전도체 발견은 물리학의 난제 중 하나였습니다.

디아스 교수팀의 논문 발표 이후 과학계는 본격적인 상온 초전도체 시대가 열릴 거라고 기대했습니다. 이 성과는 그해 <사이언스>지의 10대 과학 성과에도 선정됐습니다. 하지만 2022년 <사네이처>는 디아스 교수가 실험 자료를 임의로 수정한 의혹이 있다며 논문을 철회했습니다.

디아스 교수는 2023년 3월 새로운 초전도체를 찾았다며 <사네이처>에 다시 논문을 발표했습니다. 희토류 원소인 루테튬^Lu과 수소, 질소를 넣어 ‘루테튬 수소화물’을 만들고, 이를 상온인 20.5℃에서 대기압 2만 배 압력으로 압착해 3일간 200℃의 고온으로 구웠더니, 전기저항이 0으로 떨어지는 것을 측정했다는 내용입니다. 이전보다 압력은 낮추고 온도는 높인 것입니다.

하지만 당시 논문 저자 11명 중 디아스 교수를 포함해 로체스터대 연구진 3명을 제외한 8명이 <사네이처>에 논문 철회를 요청했습니다. “재료의 와 실험 측정 데이터, 분석 방법 등이 정확하지 않다”며 “이런 문제가 논문의 진실성을 훼손한다”고 밝힌 것입니다. 이에 <사네이처>는 2023년 11월 논문을 철회했습니다.

한편 2023년 7월, 국내 퀀텀에너지연구소가 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브^arXiv’에 상압 조건의 127℃ 이하 온도에서 초전도성을 갖는 납 기반 물질 ‘LK-99’를 개발했다고 발표했습니다. 하지만 LK-99는 제조 과정에서 생긴 황화구리 등 불순물로 인한 것이며 초전도체가 아니라고 결론이 났습니다. 거의 같은 시기에 한국과 미국에서 초전도체 실체가 없는 것으로 드러난 것입니다.

물론 상온 초전도체가 개발되었다고 해서 곧바로 상용화할 수 있는 것은 아닙니다. 상온에 도달했더라도 압력을 줄여나가는 일이 필요합니다. 지금까지의 상온 초전도체 연구 결과들을 보면 모두 초고압에서 이뤄졌습니다. 압력이 높으면 초전도체의 크기가 작아져 구조를 파악하기 힘듭니다. 따라서 우리가 생활하는 보통 온도(상온)와 압력(대기압)에서 초전도 현상을 보이는 물질을 찾는 게 관건입니다. 그 단계까지 가는 길은 여전히 멀어 보입니다.

상온·상압의 초전도체는 디지털 전자기기의 효율성도 획기적으로 향상시킬 것입니다. 휴대폰으로 오래 통화를 하다 보면 열이 많이 납니다. 노트북, 텔레비전, 비디오 등 열을 낼 필요가 없는 가전제품에서도 상당한 열이 발생합니다. 이는 전기에너지의 일부가 열에너지로 전환됨을 의미합니다. 따라서 디지털 전자기기의 재료를 열 손실 없이 전류가 흐르는 초전도체로 대체하면 이런 문제가 말끔히 해결됩니다. 이 밖에도 핵융합 장치, 초전도 모터, 초전도 발전기, 로켓, 반도체 등 초전도 기술의 활용은 무궁무진합니다.

현재의 디지털컴퓨터는 ‘01’을 표현할 때 0과 1이라는 2개의 비트를 사용합니다. 0과 1의 두 가지 형태로 한 번에 하나의 계산을 수행하는 반면 양자컴퓨터의 기본 정보단위인 큐비트는 0과 1 중 어느 한쪽이 아니라 2개의 상태(01)가 동시에 존재하는 양자역학의 독특한 중첩 현상을 이용하여 정보로 처리합니다.

예를 들어 큐비트 2개는 00, 01, 10, 11 등 4개 값을 동시에 가질 수 있습니다. 큐비트가 표시할 수 있는 정보량이 3개면 8개(2의 3제곱), 4개면 16개(2의 4제곱)의 상태를 동시에 갖습니다. n개의 큐비트는 2의 n제곱만큼 가능하게 되므로, 입력 정보량의 연산 능력이 기존의 디지털컴퓨터와 비교할 수 없을 만큼 빨라집니다.

양자컴퓨터는 큐비트 수를 많이 구현할수록 계산 속도가 빨라집니다. 결국 양자컴퓨터를 제대로 구현하기 위한 핵심은 큐비트의 품질을 높여 오류를 최소화하는 것입니다. 이때 전기회로로 초전도체를 쓰면 큐비트의 안정성이 올라갑니다. 아직 세상에 제대로 완성된 형태의 양자컴퓨터는 등장하지 않았습니다. 지금의 발전 속도로 봐서 머지않아 등장하지 않을까요?

인류가 꿈의 물질이라고 불리는 상온·상압 초전도체를 언제쯤 얻게 될지는 아무도 확실하게 예측할 수 없습니다. 그렇지만 초전도체 연구자들은 그 목표를 위해 여전히 벽돌을 한 장씩 쌓고 있습니다. 그 벽돌 한 장이 한 장의 위치를 뛰어넘어 새로운 건물이 될 수 있는 날이 곧 다가오길 기대합니다.