마이스너 효과, 초전도체가 자석 위에 뜨는 이유

마이스너 효과는 초전도체가 초전도 상태가 되면 내부의 자기장을 밖으로 밀어내는 현상이다. 1933년 발터 마이스너와 로베르트 옥센펠트가 발견했다. 이 성질 때문에 초전도체를 자석 위에 두면 자기장을 밀어내며 공중에 뜬다. 마이스너 효과는 초전도가 단순히 저항이 아주 작은 상태가 아니라 물질의 완전히 새로운 상태라는 사실을 보여 준다.

저항이 0인 것만으로는 왜 설명이 안 되나

초전도체를 아주 낮은 온도로 식히면 전기 저항이 갑자기 사라진다. 저항이 0인 도선에서는 전류가 한 번 흐르기 시작하면 에너지를 잃지 않고 계속 흐른다. 이것이 초전도의 첫 번째 특징이다.

그런데 저항이 0이라는 성질만 있다면, 초전도체는 그저 '완전한 도체'일 것이다. 완전한 도체는 내부의 자기장이 변하는 것을 막는다. 자기장이 이미 들어 있는 상태에서 식히면 그 자기장을 그대로 붙잡아 둔다. 마이스너와 옥센펠트가 발견한 것은 이와 달랐다. 자기장 속에서 초전도체를 식혀도, 초전도 상태가 되는 순간 안쪽의 자기장을 밖으로 밀어냈다. 처음에 자기장이 있었든 없었든 결과가 같았다. 이것은 완전한 도체로는 설명할 수 없는 성질이었다.

초전도체는 자기장을 어떻게 밀어내나

초전도체가 자기장을 밀어내는 방법은 표면에 전류를 만드는 것이다. 바깥에서 자기장이 들어오려 하면, 초전도체의 표면 아주 얇은 층에 저항 없이 흐르는 전류가 생긴다. 이 전류가 만드는 자기장이 바깥 자기장을 정확히 상쇄해서, 내부의 자기장이 0이 된다. 자기장은 표면에서 아주 짧은 거리만 스며들다 사라진다.

이 상태는 에너지 면에서 유리하기 때문에 생긴다. 초전도 상태의 전자들은 둘씩 짝을 이루어 하나의 거대한 양자 상태처럼 움직이는데, 자기장은 이 질서를 흐트러뜨린다. 그래서 자기장을 밀어내는 쪽이 초전도 상태를 유지하는 데 더 낫다. 하지만 바깥 자기장이 너무 세면 밀어내는 데 드는 에너지가 감당할 수 없을 만큼 커지고, 초전도 상태가 깨진다.

왜 어떤 것은 뜨고 어떤 것은 붙잡히나

초전도체는 자기장에 반응하는 방식에 따라 두 종류로 나뉜다.

구분	1형 초전도체	2형 초전도체
대표적인 물질	납, 수은 같은 순수 금속	합금, 고온 초전도 세라믹
자기장 반응	일정 세기까지 완전히 밀어냄	일부를 가는 다발로 통과시킴
견디는 자기장	약함	훨씬 강함
자석 위에서	밀어내며 뜸	떠 있는 위치에 고정되기도 함

2형 초전도체에서는 자기장이 가는 소용돌이 다발 형태로 일부 들어온다. 이 다발들이 물질 속 불순물이나 결함에 걸려 움직이지 못하면, 초전도체는 자석 위의 특정 위치에 단단히 고정된다. 이를 자속 고정이라 부른다. 자석 위에 뜬 초전도체를 손으로 기울여도 그 자세 그대로 떠 있는 신기한 장면은 이 덕분이다. 강한 자기장을 쓰는 실제 장비에 쓰이는 초전도체는 대부분 2형이다.

떠 있는 장면은 초전도의 증거가 되나

마이스너 효과는 어떤 물질이 진짜 초전도체인지 판별하는 중요한 기준이다. 저항이 크게 떨어졌다는 측정만으로는 다른 원인을 배제하기 어렵다. 그래서 새로운 초전도체를 발견했다는 주장이 나오면 저항이 0이 되는지와 함께 자기장을 밀어내는지를 반드시 확인한다. 다만 자석 위에 물체가 살짝 들리는 영상만으로는 부족하다. 자석에 반발하는 다른 물질도 비슷한 모습을 보일 수 있기 때문에, 정밀한 자기 측정이 함께 이루어져야 한다.

아직 밝혀지지 않은 것

금속 초전도체의 원리는 전자들이 짝을 이루는 이론으로 잘 설명된다. 그러나 비교적 높은 온도에서 초전도가 되는 구리 산화물 계열의 고온 초전도체는 전자들이 왜, 어떻게 짝을 이루는지 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 이 원리를 알아낸다면 실온에서 작동하는 초전도체를 설계하는 길이 열릴 수 있다는 기대가 있지만, 그 목표에 이르렀다는 주장은 지금까지 검증을 통과하지 못했다.