쿠퍼쌍 (Cooper pairs) 이론과 초전도체 - LK-99 ?

LK-99로 인한 상온, 상압 조건에서의 초전도체 가능성에 대한 화두가 커지고 있는 가운데, 전 세계 과학계와 연구계에서 실험을 통해서 재현을 하고 검증 단계에 착수하고 있습니다.

이 와중에 인도에서 쿠퍼쌍의 존재에 대해 확인되었다는 뉴스도 접하였는데, 쿠퍼쌍이란 무엇일까 궁금해 하실 분들을 위해 간략히 정리해 보았습니다.

쿠퍼쌍 이론 - 마케팅리더십연구소

쿠퍼쌍(Cooper pair)은 1956년에 레온 쿠퍼(Leon Cooper)에 의해 처음으로 제안된 초전도 상태에서의 전자 쌍을 의미합니다. 이 쿠퍼쌍의 형성은 BCS 이론 (Bardeen-Cooper-Schrieffer 이론)의 중심에 있으며, 이 이론은 1972년에 노벨 물리학상을 수상하였습니다.

최근의 연구들은 쿠퍼쌍의 존재와 관련하여 더 광범위한 물질들에서의 초전도 현상을 탐구하고 있습니다. 

고온 초전도체(특히 컵레이트 초전도체)와 같은 신소재에서는 BCS 이론으로 설명하기 어려운 현상들이 관찰되었습니다.

최근의 주요 연구 주제 중 하나는 아이러닌-기반의 고온 초전도체에서 쿠퍼쌍의 역할입니다. 

아이러닌 기반 초전도체에서의 쿠퍼쌍의 역할과 형성 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았지만, 이러한 물질에서의 초전도 현상이 BCS 이론에서 예상되는 것과 다른 방식으로 일어날 수 있음을 시사하고 있습니다. 또한, 특정 2차원 물질에서의 쿠퍼쌍 형성과 관련된 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 

예를 들면, 2차원 트랜지스터나 그래핀에서의 초전도 현상이 이러한 분야의 연구 주제 중 하나입니다.

 

쿠퍼쌍의 기본 원리?

1. 전자-전자 상호작용

일반적으로 전자들은 동일한 부호의 전하를 가지므로 서로 밀어내는 경향이 있습니다.

그러나 초전도체 내에서는 특별한 조건 하에서 전자들이 짝을 이룰 수 있게 되는데, 이를 쿠퍼쌍이라고 합니다.

2. 포논 매개체

초전도체 내에서 전자가 결정격자를 통과할 때, 격자 내 원자나 이온들을 약간 밀어낼 수 있습니다.

이로 인해 격자 주변에 양의 전하 밀도가 잠깐 형성되며, 이 양의 전하 밀도가 다른 전자를 끌어당깁니다.

이와 같은 방식으로 두 전자 사이에 간접적인 상호작용이 발생하게 되는데, 이러한 상호작용을 중개하는 입자를 포논(phonon)이라고 부릅니다.

격자 내부를 이동하는 쿠퍼쌍 모델 - 마케팅리더십연구소

3. 에너지 갭

쿠퍼쌍이 형성되면, 이들 전자 쌍 사이에는 에너지 갭이 발생합니다.

이 갭은 쿠퍼쌍이 쉽게 깨지지 않게 하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 이 에너지 갭으로 인해 초전도 상태에서는 전기 저항이 0이 됩니다.

 

쿠퍼쌍과 초전도와의 관계

초전도 상태가 되려면 전자들이 쿠퍼쌍을 형성해야 합니다.

이 쌍들은 전통적인 전자-전자 상호작용의 반발력을 극복하기 위해 포논을 이용하여 서로를 끌어당깁니다.

이렇게 형성된 쿠퍼쌍은 무서운 양의 모멘텀을 갖게 되어, 다른 원자나 임피던스와 상호작용하지 않게 됩니다.

결과적으로 이러한 쌍들은 전기적 저항 없이 움직일 수 있게 되어 초전도 상태를 유지하게 됩니다.

초전도체의 중요한 특성 중 하나는 이 쿠퍼쌍의 존재입니다. 

쿠퍼쌍의 이해는 초전도체의 다양한 특성, 예를 들면 전기적 저항의 부재와 메이스너 효과(Meissner effect) 등을 이해하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

 

LK-99가 초전도체인가? 

여기에 대한 여러 검증 절차 중 하나는 이 쿠퍼쌍이 형성되는 것을 확인하느냐가 가장 중요한 것 중에 하나일 것으로 보입니다.

감사합니다.