초전도체에서 영구전류를 만드는 전압은 어떤 원리로 발생할까?

초전도체에 전류를 투입한 후에 전류를 끊어도 전류가 계속해서 흐른다. 과학자들은 초전도체에서 저항이 사라지기 때문이라고 설명하는데, 저항이 없다면 합선과 같은 상태이므로 순간적으로 무한전류가 흐를 수 있지만 영구 전류가 흐를 수는 없다. 영구 전류가 흐른다는 것은 전압이 지속적으로 작용하고 있기 때문인데 전압은 어떻게 발생할까?

초전도 현상은 아주 낮은 온도인 극저온 상태나 아주 높은 온도인 초고온 상태에서 발생하는 현상이다. 극저온 상태에서 일어나는 현상이라면 대략 -268도 이하에서 일어나는 현상으로, 이는 거의 절대온도에 근접한 상태를 의미한다. 극저온 상태가 되면 초전도현상이 일어나는 원인을 중력을 대입하여 추론해 보면 극저온 상태에서는 주엵은 강한 값을 갖는다. 중력이 강하면 상대성이론에 의거 시간이 아주 느리게 가거나 정지된 공간에서 모든 물체들은 불연속적인 양자화 에너지 상태가 된다. 그러므로 초전도체 현상은 달리 말하면 에너지 양자화 현상이다.

초고온 상태에서도 초전도현상이 일어난다. 대체로 태양의 내부 온도보다 더 높은 수천만도 이상에서 일어나는 현상이다. 초고온 상태에서 발생하는 초전도현상을 극저온과 마찬가지로 중력과의 관계로 설명해 보면,  초고온 상태에서는 기체분자들의 운동이 활발해지면서 공간의 밀도가 극도로 낮아진다. 이를 가우스의 중력밀도 공간에 대입하게 되면 중력이 거의 사라지며 기체분자들의 운동속도는 거의 빛의 속도에 육박한다. 초고온 상태가 되면 물체의 중력은 거의 사라지고 운동속도는 극단적으로 높아진다. 이러한 현상을 태양을 중심으로 접근하는 물체에 대입하여 설명하면, 태양의 중심 온도는 거의 1억 도에 가까운데 이러한 높은 온도로 물체가 진입하게 되면 그 물체의 질량은 거의 사라지고 운동하는 에너지만 남게 된다. 이는 어떤 물체이든 저항이 거의 사라진 것과 동일한 것이다.

이처럼 물체가 극저온이나 초고온 상태에서 초전도현상을 일으킨다는 것은 에너지준위 단계를 뛰어넘는 에너지양자화 현상을 말한다. 예컨대 물이 열을 흡수하여 기체로 변화는 기화 현상이나, 기체가 액체가 되는 액화현상과 비교할 수도 있다. 에너지 양자화 현상을 다른 말로는 불연속적인 디지털 값을 갖는 양이라고도 한다. 아날로그는 연속적인 동선인 반면에 디지털은 각이 진 계단식 형태를 말하는데, 이는 층을 이룬다는 뜻이 된다. 에너지 양자화현상은 층 분리 현상이다. 이러한 온도에 의한 층 분리 양자화현상을 4차원 시공간과 결합하여 설명하면, 4차원 시공간이 팽창하는데 열이 개입하여 층을 만드는 것이다.

물이라는 물체에 온도변화를 주어 영하로 떨어지게 하면 얼음 층이 된다. 100도 이상이 되게 하면 물은 공기층으로 바뀐다. 얼음 층을 다시 세분하여 영하 10도에서의 얼음, 영하 50도에서의 얼음, 영하 100도에서의 얼음은 층이 다르다. 이렇게 같은 H2O이지만 고체로써 팽창수축하거나, 액체로써 팽창수축하거나, 기체로써 팽창수축하게 되는 구간 구분이 발생하게 되는데, 그 원리를 초전도 현상에 확대 적용하면 에너지 양자화 현상을 보다 구체적으로 개념화 할 수 있다.

원자는 일정한 온도에 도달하면 에너지 준위가 하나 더 만들어진다. 따라서 전자가 이탈하는데 필요한 퍼텐셜에너지의 소모가 줄어들게 되므로 에너지 효율이 높아진다. 에너지띠라는 층 분리 현상을 온도가 만들어 내면서 극한의 온도에 다다르면 에너지 양자화가 세분화되는 초전도 현상이 발생하는 것이다. 즉 질량을 가진 에너지들이 질량이 없는 에너지로 전도되는 것이다.