지식더하기 카메를링오너스

스마트폰을 오래 쓰거나 컴퓨터 게임을 팽팽 돌리면 기계가 불덩이처럼 뜨거워진다. 전기가 전선을 타고 흐를 때 구리 원자들과 부딪히면서 깎여 나간 에너지(전기 저항)가 열로 뿜어져 나오기 때문이다. 인류가 만드는 전기의 20%는 이 쓸데없는 '저항' 때문에 공중으로 증발해 버린다. 그런데 만약 이 전기 저항을 '0'으로 만들어버리는 마법의 금속이 있다면 어떨까? 발전소에서 만든 전기를 1%의 손실도 없이 서울까지 보내고, 배터리 하나로 1년을 쓰는 스마트폰이 가능해진다. 이 미친 상상은 1911년, 네덜란드의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은을 영하 269도까지 꽁꽁 얼려버리면서 현실이 되었다. 인류 역사상 가장 차가운 실험실에서 탄생한 현대 물리학의 성배, '초전도 현상(Superconductivity)'의 첫 발견 순간으로 돌아가 보자.

우주의 끝판왕 냉동고를 만들다, 액체 헬륨

초전도체를 발견하기 위해 오너스가 가장 먼저 해야 했던 일은 온도를 미치도록 낮추는 것이었다. 당시 세계의 물리학자들은 공기를 얼려 액체로 만드는 냉동 경쟁에 혈안이 되어 있었다. 질소도 얼렸고, 수소마저 얼려서 액체로 만들었지만, 가장 가볍고 얄미운 기체인 '헬륨'은 절대로 얼지 않고 기체로 날아갔다. 오너스는 미친 듯한 압축기와 펌프를 동원해 헬륨 가스를 꽉꽉 짓눌렀다가 확 팽창시키는 과정을 반복하며 온도를 무자비하게 갉아먹었다. 마침내 1908년, 온도가 절대영도에 닿을 듯한 '영하 269도(4.2K)'까지 떨어지자 헬륨이 굴복하며 뚝뚝 물방울(액체 헬륨)로 떨어져 내렸다. 오너스가 지구상에서 가장 차가운 물(냉각제)을 만들어 낸 것이다.

저항이 0이 되다, 기적의 초전도 현상 발견

액체 헬륨이라는 사기급 냉각 아이템을 얻은 오너스는 3년 뒤, 얇은 수은 선을 액체 헬륨에 푹 담그고 전기를 흘려보내는 실험을 했다. 보통 금속은 차가워지면 저항이 찔끔찔끔 줄어든다. 그런데 온도가 영하 268도(4.2K)를 통과하는 순간, 눈금자를 가리키던 저항 수치가 바닥으로 곤두박질치며 기괴하게도 '완벽한 0(Zero)'이 되어버렸다. 오너스는 기계가 고장 난 줄 알고 몇 번이나 다시 쟀지만 진짜였다. 한 번 전기를 흘려주면 저항이 없어서 영원히 전기가 무한정 뺑뺑 도는 마법의 상태, '초전도체'가 인류 역사상 최초로 발견된 순간이었다. (이 업적으로 오너스는 1913년 노벨 물리학상을 휩쓴다.)

자석을 밀어내며 공중 부양하다(마이스너 효과)

초전도체의 저항이 0이 되면 또 다른 미친 마법이 튀어나온다. 훗날 밝혀진 '마이스너 효과(Meissner Effect)'다. 초전도체는 자기 몸속으로 자석의 힘(자기장)이 들어오는 것을 극도로 혐오하여 밖으로 맹렬하게 튕겨내 버리는 쉴드(반자성)를 친다. 초전도체 위에 자석을 올려놓으면, 초전도체가 뿜어내는 강한 자기장 쉴드에 튕겨서 자석이 공중에 둥둥 떠서 박제되어 버린다(자기 부상). 자기 부상 열차와 병원의 MRI(자기 공명 영상) 기계가 이 초전도체의 마법을 이용해 허공에 떠서 달리고 강력한 자기장을 만들어내는 것이다.

영하 269도의 감옥을 탈출하라

오너스의 위대한 발견에도 불구하고, 초전도체는 치명적인 한계가 있다. 무조건 '액체 헬륨(영하 269도)'으로 미치도록 차갑게 얼려야만 마법이 유지된다는 것이다. 액체 헬륨은 미치도록 비싸고 다루기 힘들다. 그래서 현대의 물리학자들은 피눈물을 흘리며, 액체 질소(영하 196도) 정도로 적당히 차가워도 작동하는 '고온 초전도체'를 굽기 위해 도자기 가루를 비벼대고 있다. ![과냉각 금속 디스크를 둘러싸고 있는 빛나는 양자 자기 실드를 보여주는 '마이스너 효과'의 미세한 다이어그램으로, 마법처럼 자석을 그 위에 띄우기 위해 빨간색 자기선을 강제로 밀어냅니다](https://image.pollinations.