6.11 초전도와 조지프슨 효과

목차 ／ 제6장: 양자 영역

I. 현상과 질문

일부 금속과 세라믹을 충분히 냉각하면 저항이 측정한계 아래로 떨어지고, 전류가 수년 동안 감쇠 없이 순환합니다. 외부 자기장은 벌크에서 밀려나며 양자화된 플럭스 튜브의 형태로만 내부에 스며듭니다. 두 초전도체 사이에 극박한 절연층을 두면, 전압이 없어도 안정적인 전류가 흐르고, 고주파를 가하면 전압에 불연속 계단이 생깁니다.

이 서명들—영저항, 완전 반자성(양자화 침투 포함), 영바이어스 초전류, RF 계단—은 다음 물음을 낳습니다. 냉각만으로 ‘마찰’은 왜 사라집니까? 자기장은 왜 정해진 양자 단위로만 들어옵니까? 전류는 절연층을 어떻게 넘고, 마이크로파는 왜 전압에 가지런한 단을 새깁니까?

II. 에너지 필라멘트 이론(EFT)의 해석: 위상이 고정된 전자쌍, 손실 경로의 집단적 차단, 장벽을 가로지르는 코히어런트 릴레이

1. 먼저 짝을 이루고, 이어 위상을 꿰맵니다.
   EFT에서 전자는 안정한 단일 루프 감김이며, 외층이 **에너지 바다(Energy Sea)**와 격자에 결합합니다. 온도를 내리면 격자 요동이 줄고, 일부 물질에서는 두 전자가 반대 감김으로 뒤따르며 전자쌍을 이루기 쉬운 ‘장력 회랑’이 열립니다. 쌍을 이루면 많은 산란·손실 경로가 상쇄·약화됩니다. 더 식히면 다수 전자쌍의 외층 위상이 맞춰져 시료 전역에 **공통 위상 네트워크(위상 카펫)**가 깔립니다.
2. 영저항의 까닭: 손실 경로를 집단적으로 닫습니다.
   보통의 저항은 환경으로 에너지가 새는 미세 경로—불순물, 포논, 경계 조면—에서 생깁니다. 위상 카펫이 깔리면 코히어런스를 무너뜨리는 국소 주름이 생기기 어렵고, 손실 문턱이 급상승합니다. 구동이 카펫을 찢지 않는 한 전류는 에너지를 흘리지 않습니다. 관측되는 값은 영저항입니다.
3. 배자성·플럭스 양자화의 까닭: 위상은 임의의 비틀림을 거부합니다.
   평활을 유지하려면 위상 카펫이 자기장에 제멋대로 비틀리지 않아야 합니다. 표면에 차폐 전류가 생겨 장을 밀어내고(마이스너), 어떤 물질에서는 가는 관을 통해서만 장을 들입니다. 각 관은 위상이 정수회 감기도록 요구하므로 플럭스 양자화가 됩니다. 각 관은 위상이 감기는 속이 빈 장력 코어로 볼 수 있고, 서로 밀어내며 기하학적 격자를 이룹니다.
4. 조지프슨 전류의 까닭: 임계 근방의 좁은 틈에서 코히어런트 릴레이.
   두 위상 카펫을 초박 절연층으로 가르면 사이의 세 틈이 임계 근처에 놓입니다. 이 틈을 통해 양쪽 위상이 코히어런트하게 주고받아, 입자가 ‘밀고 나가는’ 것이 아니라 짧은 위상 다리가 가운데에 꿰매지듯 형성됩니다.
   • 양쪽이 같은 박자를 유지하면 다리는 위상을 안정적으로 전달하고, 무전압 DC 초전류가 흐릅니다(직류 조지프슨).
   • 박자가 어긋나면—DC 전압이나 RF 구동—위상차가 등속으로 진행하거나 외부 주파수에 록인되고, 다리가 정해진 리듬으로 초전류를 펌핑합니다. 그 결과 AC 응답과 전압 계단이 나타납니다.
5. 어디서나 완벽하지 않은 까닭: 결함과 찢김이 손실을 엽니다.
   과대 전류, 강한 장, 높은 온도 또는 양자화 소용돌이의 핀닝 자리가 있으면, 카펫이 잡아끌려 구멍이 나고 에너지가 빠집니다. 임계 전류, 손실 피크, 비선형 응답이 드러납니다.

III. 대표적 장면

• 두 부류의 초전도체.
  하나는 장을 거의 전부 몰아내다 임계 너머에서 급격히 깨지고, 다른 하나는 플럭스 튜브를 들여 고장 영역에서 소용돌이 격자를 세우면서도 도통을 유지합니다. 이는 위상 카펫이 자장 비틀림을 허용하는 방식의 차이입니다.
• 초전도 링과 지속 전류.
  폐루프에서는 위상이 정수회 감겨야 하며, 카펫이 찢기지 않으면 전류가 지속됩니다. 플럭스를 비정수로 맞추면 가장 가까운 정수로 도약해, 이산·안정 상태가 생깁니다.
• 터널 접합과 약결합.
  초박 틈에서는 영바이어스에서도 초전류가 흐르고, 마이크로파를 가하면 전압이 규칙적인 계단에 록인됩니다. 외부 박자에 위상차가 동기화되었음을 뜻합니다.
• 병렬 링: 간섭계.
  두 ‘위상 다리’로 이룬 작은 링은 외부 플럭스에 따라 서로 다른 위상 이동을 받습니다. 총 초전류는 플럭스에 대해 주기적으로 요동하며, 초고감도 자속 측정이 가능합니다.

IV. 관측 지문

• 임계 온도에서 영저항으로의 급강하.
• 완전 반자성 또는 플럭스 튜브의 기하학적 배열.
• 무전압 초전류와 명확한 임계 전류.
• RF 인가 시 전압 계단(위상 록인).
• 링에서의 간섭 주기.
• 소용돌이 핀닝/슬립: 결함은 손실을 줄이고 임계 전류를 높이며, 소용돌이가 움직이면 손실 피크가 나타납니다.

V. 통설과의 합치

• 통설은 쌍 응축을 위상 가진 복소 진폭의 질서 매개변수로 쓰며, 영저항을 무손실 위상 흐름으로, 반자성을 위상 비틀림의 거부로, 플럭스 양자화와 소용돌이를 정수 감김 제약으로 설명합니다.
• EFT는 같은 물리를 손에 잡히는 기하로 풀어냅니다. 전자쌍＝짝지은 감김, 위상 카펫＝시료 전역의 공통 위상망, 영저항＝손실 경로의 집단 차단, 플럭스 양자화＝속이 빈 코어의 위상 결함, 조지프슨 효과＝임계 근방 틈에 꿰매는 짧은 위상 다리. 현상과 정량 관계는 일치하며, EFT는 ‘필라멘트와 바다’의 물성 서사를 더합니다.

VI. 요약하면

초전도는 전자가 갑자기 ‘완벽’해지는 일이 아닙니다. 짝을 이루고, 위상을 고정하고, 틈을 넘어 릴레이합니다.

• 약한 구동에서는 카펫이 손실을 닫아 영저항을 드러냅니다.
• 임의 비틀림을 거부해, 장을 밀어내거나 양자화 소용돌이로만 들입니다.
• 두 카펫 사이에서는 위상 다리를 세워 무전압에서도 수송하고, 마이크로파 아래서는 전압이 계단에 록인됩니다.