일종 초전도체

[ Type I superconductor ]

 

일종 초전도체란 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되고 자기장을 걸 때 임계 자기장이 하나뿐으로 이보다 낮은 자기장 값에서는 마이스너 효과로 인해 완전한 반자성체가 되는 초전도체를 말한다. 일부 원소 금속이 이에 속하며, 이를 무른 초전도체라고도 한다.

 

초전도체 내부에 자기장이 침투할 수 없는 현상을 일컬어 마이스너 효과라고 부른다. 이러한 초전도체에 자기장을 가하면 특정 임계 자기장에서 초전도성이 깨지게 된다. 이때 어떻게 깨지는지에 따라 일종과 이종으로 나눈다. 하나의 임계 자기장 값을 가지며 일차 상전이를 따르는 초전도체를 일컬어 일종 초전도체라고 부른다. 반면 이종 초전도체는 두 개의 임계 자기장 값을 가지며 특정 구간에서 자기 다발 소용돌이를 볼 수 있다는 차이점이 있다.

 

 

이종 초전도체

[ Type II superconductor ]

 

초전도체 중에서 임계 온도 이하에서 전기 저항은 영이지만 마이스너 효과가 완전하지 않은 물질이다. 한 개의 임계 자기장 값을 가지는 일종 초전도체와는 달리, 두 개의 임계 자기장 값을 가지며 특정 조건에서 자기 다발 소용돌이 (magnetic flux vortex)를 관측할 수 있다.

 

일종 초전도체와는 달리, 두 개의 임계 자기장 (

 

) 값을 가지고 있다. 외부에서 가해주는 자기장 값이 높은 임계자기장 값 (

 

)보다 더 높으면 초전도성을 잃고, 낮은 임계자기장 값 (

 

)보다 더 낮으면 마이스너 효과는 완전하게 나타난다. 하지만 그 중간 영역에서 전기 저항은 영이나 마이스너 효과는 불완전해서, 자기장이 초전도체 내부로 침투할 수 있다.

 

낮은 임계자기장 값보다 낮은 자기장이 가해졌을 경우 (

 

), 일종 초전도체와 마찬가지로 마이스너 효과로 초전도체 내부 자기 다발 (magnetic flux) 값이 없어진다. 하지만, 자기장이 더 커질 경우 (

)에 자기 다발이 초전도 내부로 들어올 수 있고, 내부 자기장 값이 없어지지 않게 된다. 자기장이 커짐에 따라서 초전도성은 점점 줄어들게 되고, 최종적으로 자기장 값이 높은 임계자기장 값을 넘어서면 () 초전도성이 완전히 사라지게 된다. 온도가 올라갈수록 두 임계자기장 값은 동시에 줄어드는데, 임계온도 에 도달하면 두 임계자기장 값은 영으로 수렴한다.

 

이종 초전도체에서의 경우 두 임계자기장 사이 영역에서는 자기장이 여러 개의 소용돌이 (vortex) 형태로 초전도체 내부로 침투할 수 있는데, 각 소용돌이는 정상 금속 (normal metal) 상태인 코어를 초전도 전류가 순환하는 형태로 구성되어 있다. 이 때, 자기장은 소용돌이 코어를 통해서 초전도체를 통과할 수 있으며, 순환하는 전류가 내부의 자기장을 외부 초전도로부터 차폐하는 역할을 한다.