초전도체는 어떻게 노벨상을 휩쓸었나, 저항 0의 영역 (김갑진 교수)
📺 원본 영상: 초전도체는 어떻게 노벨상을 휩쓸었나, 저항 0의 영역 (김갑진 교수)
🎙️ 채널: 안될과학 Unrealscience
📅 정리 일자: 2026-07-21
⚠️ Note: 본 리포트는 영상의 음성을 텍스트로 변환(STT)하여 정리한 것입니다. 화면에 표시된 자료(차트, 코드, 슬라이드 등)는 포함되지 않을 수 있습니다.
개요
이 강연은 초전도체가 왜 20세기와 21세기 물리학에서 반복적으로 노벨상을 만들어냈는지를, “저항이 0이 된다는 것은 무엇인가”라는 질문에서 출발해 설명한다. 김갑진 교수는 전기저항의 고전적 이해, 카메를링 오너스의 실험, BCS 이론, 터널링 실험, 고온초전도체, 거시적 양자 터널링, 그리고 초전도 기반 양자컴퓨터까지 하나의 긴 흐름으로 연결한다. 핵심은 초전도가 단순히 신기한 물질 현상이 아니라, 물질 속 전자들이 집단적으로 양자역학적 행동을 할 수 있음을 보여준 결정적 무대였다는 점이다.
저항이란 무엇인가: 전자는 왜 마음대로 흐르지 못하는가
강연은 먼저 옴의 법칙, 즉 V = IR에서 출발한다. 여기서 전압 V는 전자를 밀어내는 힘이고, 전류 I는 전자가 흐르는 정도이며, 저항 R은 전자가 흐르기 위해 얼마나 큰 힘이 필요한지를 나타내는 지표다. 다시 말하면 저항은 전류를 방해하는 정도이며, 전자가 물질 내부를 통과할 때 원자나 불순물과 충돌하면서 생기는 효과로 이해할 수 있다.
1900년 폴 드루드(Paul Drude)는 금속 안에서 전자가 이동할 때 불순물이나 원자 구조에 부딪히며 흩어진다는 모델을 제안했다. 이 관점에서는 전압이 전자를 한 방향으로 밀어도, 물질 내부의 장애물이 전자의 운동을 방해하기 때문에 저항이 생긴다. 이 설명은 고전적인 직관으로는 매우 설득력이 있었고, 이후 “온도를 낮추면 저항은 커질까, 작아질까”라는 질문을 자연스럽게 불러왔다. 온도가 내려가면 전자가 얼어붙어 움직이지 못할 것이라는 예측과, 반대로 원자의 열적 진동이 줄어 충돌이 줄어들 것이라는 예측이 서로 맞섰기 때문이다.
1911년, 초전도의 발견: 저항이 갑자기 사라지다
윌리엄 톰슨, 즉 켈빈 경은 온도가 낮아지면 전자가 원자에 다시 속박되어 저항이 커질 것이라고 보았다. 반면 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)는 극저온 실험을 실제로 수행할 수 있었던 과학자였고, 액체 헬륨을 이용해 금속의 저항을 낮은 온도에서 측정할 수 있었다. 그는 수은을 대상으로 온도를 낮추며 저항을 재는 실험을 진행했고, 4.2K 부근에서 저항이 연속적으로 줄어드는 것이 아니라 갑자기 뚝 떨어지는 현상을 관측했다.
03:38 - 수은의 온도-저항 그래프에서 4.2K 부근 저항이 급격히 떨어지는 초전도 전이 설명
이 장면이 중요한 이유는, 초전도가 단순히 “저항이 매우 작아지는 현상”이 아니라 특정 온도 아래에서 완전히 다른 상태로 전이되는 현상임을 보여주었기 때문이다. 만약 열적 진동이 줄어드는 효과만 있었다면 저항은 서서히 낮아졌어야 한다. 그러나 수은의 저항은 임계온도 근처에서 불연속적으로 급락했고, 이는 기존 이론의 예측을 넘어서는 새로운 물리 현상이었다. 강연자는 이 실험이 1911년에 보고되었고, 오너스가 1913년 노벨 물리학상을 받았다고 설명한다.
“정말 0인가”를 증명하는 실험의 힘
초전도 발견에서 가장 흥미로운 대목은 “저항이 0에 가까운 것인지, 정말 0인지 어떻게 알 수 있는가”라는 문제다. 오너스는 단순히 저항 측정 장비의 눈금만 믿지 않았다. 그는 수은으로 코일을 만들고, 자석을 이용해 유도전류를 발생시킨 뒤, 그 전류가 시간이 지나도 사라지는지 관찰하는 방식으로 문제에 접근했다.
05:23 - 초전도 코일, 자석, 나침반, 구리 코일을 이용해 지속 전류를 확인하는 실험 설명
저항이 조금이라도 있다면 전류는 에너지를 잃고 결국 사라져야 한다. 그러나 초전도 상태의 코일에서는 전류가 장시간 유지되었고, 나침반의 방향 변화도 계속 유지되었다. 강연자는 오너스가 이를 두고 “0”이라고 단정하기보다는 실험 오차 안에서 천억분의 1옴 수준이라고 표현했다고 설명한다. 이 태도는 과학적 주장의 핵심을 잘 보여준다. 과학자는 자연이 보여주는 현상을 최대한 정밀하게 측정하되, 자신의 장비와 실험이 허용하는 한계를 넘어선 단정은 피한다.
BCS 이론: 전자는 왜 둘씩 짝을 지어 움직이는가
초전도 현상은 1911년에 발견되었지만, 이를 이론적으로 설명하는 데에는 약 40년 이상이 걸렸다. 그 이유는 명확하다. 초전도는 본질적으로 양자역학적 현상인데, 1911년 당시에는 현대 양자역학이 아직 충분히 정립되기 전이었다. 강연자는 1957년에 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)가 제안한 BCS 이론이 초전도 이해의 결정적 전환점이었다고 설명한다.
BCS 이론의 핵심은 초전도체 안에서 전자가 홀로 움직이는 것이 아니라 두 개씩 짝을 이루어 움직인다는 점이다. 이 쌍을 쿠퍼 쌍(Cooper pair)이라고 부르며, 격자의 진동이 전자 사이에 효과적인 인력을 만들어 전자들이 함께 움직이도록 한다. 전자는 원래 같은 음전하를 띠기 때문에 서로 밀어내야 하지만, 고체 내부에서는 전자가 지나가며 주변 양전하 격자를 살짝 끌어당기고, 그 뒤를 따라오는 전자가 그 변형된 격자 환경을 느끼면서 간접적으로 짝을 이룰 수 있다. 이 설명은 초전도가 단순한 저항 감소가 아니라 전자들의 집단적 양자 상태라는 점을 드러낸다.
바딘은 이미 트랜지스터 개발로 1956년 노벨 물리학상을 받은 인물이었다. 이후 BCS 이론으로 1972년에 다시 노벨 물리학상을 받으면서, 강연자의 설명에 따르면 지금까지 유일하게 노벨 물리학상을 두 번 받은 사람이 되었다. 쿠퍼와 슈리퍼 역시 함께 수상했고, BCS라는 이름은 세 사람의 성 앞글자에서 왔다. 초전도 연구가 노벨상을 반복적으로 낳은 첫 번째 이유는 바로 이처럼 실험적 발견과 이론적 설명이 서로 긴 시간차를 두고 이어졌기 때문이다.
결합에너지와 터널링: 초전도는 양자역학의 실험장이 되다
BCS 이론은 쿠퍼 쌍이 존재한다면 그 쌍을 묶는 결합에너지도 있어야 한다고 예측했다. 강연자는 이바르 기아에버(Ivar Giaever)가 초전도체와 절연체, 금속을 샌드위치처럼 쌓은 구조에서 전압-전류 특성을 측정해 이 결합에너지를 실험적으로 확인했다고 설명한다. 전압을 서서히 올리다 보면 전류가 급격히 증가하는 지점이 나타나는데, 이 지점이 초전도 결합에너지와 관련된다. 이로써 BCS 이론이 말한 결합에너지가 실제 물리량으로 측정될 수 있음이 드러났다.
09:08 - 초전도 접합의 전압-전류 그래프에서 결합에너지와 관련된 급격한 전류 증가 구간 설명
이 실험은 동시에 양자 터널링(Quantum tunneling)의 무대이기도 했다. 절연체는 원래 전류가 흐르기 어려운 장벽이지만, 양자역학에서는 전자가 입자이면서 파동이기 때문에 장벽을 확률적으로 통과할 수 있다. 레오 에사키(Leo Esaki)는 반도체 접합에서 터널링을 관측했고, 기아에버는 초전도 접합에서 터널링과 결합에너지 측정을 연결했다. 브라이언 조셉슨(Brian Josephson)은 여기서 한 걸음 더 나아가, 쿠퍼 쌍이 깨지지 않고 통째로 터널링할 수 있다고 이론적으로 제안했다.
10:36 - 절연체 장벽을 전자가 양자 터널링으로 통과하는 접합 구조 설명
조셉슨의 주장은 처음에는 받아들이기 어려운 생각이었다. 강연자는 BCS 이론을 만든 바딘조차 처음에는 이를 부정적으로 보았지만, 이듬해 실험으로 증명되자 자신의 판단을 수정했다고 설명한다. 이 대목은 과학의 태도를 잘 보여준다. 권위 있는 이론가의 직관보다 중요한 것은, 결국 자연이 실험에서 무엇을 보여주는가이다. 에사키, 기아에버, 조셉슨은 터널링 현상의 발견과 설명으로 1973년 노벨 물리학상을 받았다.
25K의 벽과 고온초전도체의 충격
BCS 이론은 초전도가 저온에서만 가능하며, 일반적인 물질값을 대입하면 임계온도가 25K를 넘기 어렵다는 예측을 낳았다. 한동안 이 예측은 잘 맞아 보였다. 베른트 마티아스(Bernd Matthias)를 비롯한 많은 연구자들이 다양한 초전도 물질을 찾았지만, BCS 이론이 예상한 상한을 명확히 뛰어넘는 물질은 나오지 않았다. 그래서 초전도체를 찾는 경험적 규칙도 형성되었다.
그러나 1986년 게오르크 베드노르츠(Georg Bednorz)와 알렉스 뮐러(Alex Müller)가 LBCO, 즉 란타넘-바륨-구리 산화물 계열에서 약 35K의 초전도 전이를 발견하면서 상황은 급변했다. 이는 당시 통념이던 25K 한계를 넘어서는 결과였고, 이후 YBCO처럼 90K 부근에서 초전도 현상을 보이는 물질까지 등장했다. 더 흥미로운 점은 이 물질들이 기존 경험칙이 피하라고 말했던 산소, 자성, 절연체적 성격과 관련되어 있었다는 점이다. 즉 연구자들이 “될 리 없다”고 생각한 방향에서 새로운 초전도체가 등장한 것이다.
15:31 - LBCO와 YBCO 계열 고온초전도체가 기존 25K 한계를 넘어선 사례 설명
강연자는 이 발견 직후 학계가 얼마나 뜨겁게 반응했는지도 소개한다. 1987년 뉴욕에서 열린 미국물리학회에서는 관련 세션에 수많은 연구자가 몰렸고, 발표자와 참석자가 폭발적으로 늘었으며, 토론이 새벽까지 이어졌다고 한다. 베드노르츠와 뮐러는 1987년 노벨 물리학상을 받았고, 이후 “상온초전도체를 발견하면 다음 노벨상은 사실상 예약”이라는 분위기가 생겼다. 그러나 고온초전도체가 왜 그렇게 높은 온도에서 초전도를 보이는지는 아직도 완전히 설명되지 않았다고 강연자는 강조한다.
16:22 - 1987년 미국물리학회 고온초전도체 세션의 열기를 보여주는 자료 화면 설명
거시적 양자 터널링: 양자 현상은 얼마나 큰 세계까지 확장되는가
강연 후반부는 초전도 연구가 양자컴퓨터로 이어지는 길을 다룬다. 핵심 질문은 단일 전자가 장벽을 터널링할 수 있다면, 수십억 개의 전자가 집단적으로 같은 양자 상태를 유지한 채 장벽을 넘을 수 있느냐는 것이다. 이를 거시적 양자 터널링(Macroscopic quantum tunneling)이라고 부른다. 단일 입자의 양자 터널링은 이미 실험적으로 확인되었지만, 많은 입자가 모인 덩어리는 외부 환경과 더 강하게 상호작용하기 때문에 양자적 상태를 쉽게 잃을 것이라는 반론이 강했다.
앤서니 레깃(Anthony Leggett)은 이런 거시적 양자 터널링이 가능하다고 주장했고, 아미르 칼데이라(Amir Caldeira)와 함께 이를 이론적으로 계산했다. 그러나 이론만으로는 충분하지 않았다. 실제 실험에서는 열적 요동으로 장벽을 넘어간 것인지, 양자 터널링으로 장벽을 뚫고 지나간 것인지 구분해야 했기 때문이다. 두 경우 모두 결과적으로는 다른 상태로 전이된 것처럼 보이지만, 원인은 전혀 다르다.
이 구분을 위해 실험가들은 온도를 낮춰가며 전이 확률을 측정했다. 열적 요동이 원인이라면 온도가 낮아질수록 전이 확률이 줄어야 한다. 반면 양자 터널링이 원인이라면 온도와 무관하게 일정한 확률이 유지되어야 한다. 강연자는 온도가 낮아질수록 전이 확률이 줄다가 어느 구간부터 일정해지는 그래프가 거시적 양자 터널링의 실존을 보여주는 결정적 증거라고 설명한다.
20:39 - 온도를 낮추며 열적 전이와 거시적 양자 터널링 전이를 구분하는 그래프 설명
초전도와 양자컴퓨터: 처음부터 응용을 겨냥한 연구는 아니었다
강연자는 2025년 노벨 물리학상 수상과 관련해, 언론에서는 이를 “양자컴퓨터의 노벨상”처럼 설명했지만 원래 실험의 출발점은 양자컴퓨터가 아니었다고 정리한다. 당시 연구자들의 질문은 초전도 접합에서 거시적 양자 터널링과 에너지 양자화가 가능한지 확인하는 것이었다. 즉 목표는 응용기술이 아니라, 양자 현상이 얼마나 큰 물리계까지 유지될 수 있는지를 검증하는 기초물리학적 질문이었다.
그러나 바로 그 기초 질문이 훗날 초전도 기반 양자컴퓨터의 토대가 되었다. 강연자는 2025년 노벨 물리학상을 공동 수상한 존 클라크(John Clarke), 미셸 드보레(Michel H. Devoret), 존 마티니스(John M. Martinis)의 연구가 초전도 회로에서 거시적 양자역학을 실험적으로 보여준 사례라고 설명한다. 특히 당시 박사과정 학생이었던 마티니스는 이후 Google에서 초전도체를 이용한 양자컴퓨터 구현에 관여한 인물로도 알려져 있다. 거시적 시스템에서도 양자 현상을 제어할 수 있다는 사실이 확인되었기 때문에, 원자 하나하나를 다루지 않고도 회로 수준에서 양자 비트를 만들 수 있다는 발상이 가능해졌다. 이처럼 초전도 연구는 순수한 호기심에서 출발했지만, 시간이 지나며 양자정보기술이라는 거대한 응용 분야로 확장되었다.
과학이 남기는 태도: 어디까지 믿을 것인가
강연의 마지막 메시지는 과학 지식 자체보다 과학자의 판단력에 가깝다. 김갑진 교수는 가짜 뉴스와 생성형 인공지능이 그럴듯한 오류를 만들어내는 시대에 필요한 태도는, 누군가의 말을 무조건 믿는 것도 아니고 무작정 의심만 하는 것도 아니라고 말한다. 중요한 것은 어디까지 믿을 수 있는지를 스스로 판단하는 능력이다. 초전도 연구의 역사는 바로 그런 판단의 축적이었다.
오너스는 저항이 0처럼 보인다고 해서 쉽게 0이라고 단정하지 않았고, 조셉슨의 이상해 보이는 아이디어는 실험으로 검증된 뒤 받아들여졌다. 고온초전도체는 기존 법칙이 가리키는 밝은 곳이 아니라, 오히려 아무도 기대하지 않던 어두운 곳에서 등장했다. 강연자는 이를 드루드 모델에 비유해 삶의 메시지로 확장한다. 전자는 물질 속에서 계속 부딪히고 튕겨 나가지만, 전압이 걸려 있으면 결국 한 방향으로 이동한다. 사람에게 그 전압은 꿈이며, 실패와 충돌이 있어도 방향이 있으면 결국 나아간다는 것이다.
마무리 / 핵심 정리
이 강연이 보여주는 초전도의 역사는 하나의 발견이 어떻게 연쇄적으로 새로운 질문을 낳는지 잘 보여준다. 1911년 수은의 저항이 갑자기 사라진 사건은 BCS 이론을 낳았고, BCS 이론은 쿠퍼 쌍과 결합에너지, 터널링 실험으로 이어졌으며, 조셉슨 접합과 거시적 양자 터널링은 훗날 초전도 양자컴퓨터의 기반이 되었다. 고온초전도체의 등장은 기존 이론의 한계를 드러내며 아직도 풀리지 않은 문제를 남겼고, 그 미해결성 자체가 앞으로도 노벨상급 발견이 나올 수 있는 이유가 된다.
초전도체가 노벨상을 휩쓴 이유는 단지 기술적으로 유용해서가 아니다. 그것은 저항, 전자, 격자, 양자 터널링, 집단적 양자 상태라는 물리학의 근본 개념들이 한곳에서 충돌하고 검증되는 장이었기 때문이다. 강연의 메시지는 결국 과학의 힘이 정답을 빨리 말하는 데 있지 않고, 자연이 보여주는 증거 앞에서 자신의 생각을 계속 조정하는 데 있다는 점으로 귀결된다.
📚 출처 및 참고
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 원본 영상 | 초전도체는 어떻게 노벨상을 휩쓸었나, 저항 0의 영역 (김갑진 교수) |
| 채널 | 안될과학 Unrealscience |
| 리포트 작성 | 2026-07-21 |
| 작성 방식 | YouTube 영상 STT 변환 후 에디팅 |
💬 본 리포트는 영상 내용을 바탕으로 재구성되었습니다. 정확한 내용은 원본 영상을 참조해 주세요.