1. 초전도의 역사적 배경
초전도(superconductivity)는 1911년 네덜란드의 저온 물리학자 카메린 온네스(Heike Kammerlingh Onnes)에 의하여 최초로 발견되었다. 19세기말에 저온 냉동 분야에 있어서 많은 과학적 진보가 이루어졌으며 온네스는 줄곧 저온 냉동에 대하여 연구를 해오던 도중 1908년 7월 10일 4 K(영하 269℃)까지 냉각하여 헬륨을 액화시키는데 성공한다. 온네스는 그날 겨우 수 밀리리터의 액체헬륨을 만들 수 있었다고 한다. 그러나 그것은 전에는 도달할 수 없었던 온도 영역에 있어서 그의 새로운 학문적 탐험이 시작되는 중요한 계기가 되었다. 액체헬륨은 물질들을 가장 차가운 온도인 절대온도 0 K에 가깝도록 냉각할 수 있게 하였는데, 절대온도 0 K란 물질의 에너지가 가장 작아지는 온도인 것이다. 1911년, 온네스는 아주 낮은 극저온에서 물질의 전기적 성질을 조사하기 시작하였다. 금속의 전기저항은 상온에서 냉각할 때 떨어지는 것으로 오랫동안 알려져 왔다. 그러나 저항이 어디까지 떨어지는 가에 대한 극한치는 알려져 있지 않았다. William Kelvin과 같은 과학자는 도체를 통하여 흐르는 전자들은 절대온도에 가까울수록 완전히 멈출 것으로 믿고 있었으나 온네스를 포함한 다른 과학자들은 차갑게 냉각한 선재의 저항은 사라질 것으로 믿었다. 이것은 곧 전기저항이 연속적으로 감소하는 것을 의미하는 것이고 전기전도성이 더 나아지는 것을 의미하는 것이다. 이렇게 과학자들은 어떤 아주 낮은 온도에서 정의하기는 어렵지만 어떤 최소 값으로 저항이 도달함에 따라 전류를 조금만 흐르게 하거나 저항이 없어지는 상태가 생길 것으로 믿고 있었던 것이다. 온네스는 순도가 높은 수은 선재를 통하여 전류를 흘리고 온도를 내리면서 연속적으로 저항을 측정하는 실험을 하던 도중 온도가 4.2 K에 도달했을 때 저항이 갑자기 사라진 것을 확인하였다. 전류는 수은 선재를 통하여 흐르고 있었고 아무 것도 멈추지 않았으나 저항이 완전히 영(零)이 된 것이다. 그림(1)은 온네스가 측정한 수은선재의 저항과 온도 곡선 그래프이다. 온네스는 실험에 사용한 수은이 이상한 전기적 성질로 인하여 초전도상태라고 부를 수 있는 어떤 새로운 상태로 들어갔다고 생각했다. 수은 선재의 저항이 사라진 것은 의심할 수 없는 실험적 사실인 것이다. 카메린 온네스는 이렇게 새로 발견한 상태를 초전도(Superconductivity)라고 명명하였고, 과학계에 대한 발견의 중요성뿐만 아니라 그것의 새로운 과학 발견이 나올 때마다 과학자들은 그 현상을 설명하기 위하여 애를 쓴다. 1933년 Walther Meissner 와 R. Ochsenfeld는 초전도체가 전기적으로 완전전도체가 되는 성질하고는 다른 또 하나의 새로운 현상을 발견하였다. 그것은 자기장을 배척하는 흥미 있는 자기적 성질로 초전도체는 그 내부로 자기장이 들어오는 것을 허용하지 않는 것이다. 그것은 달리 말하면 재료 내부로 침투한 자기장과 평형을 맞추기 위하여 초전도체 내부에서 자기장을 발생시키는 전류를 만들어 내는 것이다. 이러한 현상은 마이스너 효과(Meissner Effect)라고 불리게 되었고 초전도현상을 보여주는 가장 인기 있는 현상이 되었다. 그림(2)는 초전도체 위에 부상한 자석으로부터 자력선이 배척되는 것을
	보여주고 있다. 마이스너 효과는 자기장이 상대적으로 아주 작을 때에만 나타난다. 만일 자기장이 너무 크게 되면 그것은 재료 내부로 침입하고 그 재료는 초전도성을 잃어버리게 된다. 1957년에 과학자들은 드디어 초전도체의 신비를 풀기 시작하였다. 미국 일리노이 대학의 세 명의 과학자들 John Bardeen, Leon Cooper, 과 Robert Schrieffer는 초전도체가 왜 그렇게 거동하는 가를 쉽게 설명할 수 있는 아주 그럴듯한 이론 모델을 발견하였다. 그 모델은 양자역학의 진보된 이론으로 표현된 것이나, 주요 이론은 초전도체 내의 전자들이 양자기저상태로 응축하여 집합적이며 동일 위상으로 움직인다는 것을 제시한 것이다. 1972년에Bardeen, Cooper, 과 Schrieffer는 그들의 성을 따서 만들었기 때문에 지금은 BCS이론이라고 불리는 초전도이론을 발견한 업적으로 노벨 물리상을 수상하였다. 1986년에 스위스 쮸리히 IBM연구소에서 일하고 있는 Georg Bednorz 와 Alex Muller는 페로브스카이트라고 불리 우는 특별한 종류의 금속산화물을 이용하여 실험을 하고 있었다
. Bednorz 와 Muller는 수백 종류의 산화물계 화합물을 조사하고 있었는데 란탄, 바리움, 구리, 산소로 이루어진 산화물에서 35 K온도가 되면서 초전도의 징후가 나타나는 깜짝 놀라는 현상을 발견하였다. 곧 세계 곳곳의 과학자들은 새로운 초전도체들에 연구를 시작하였다. 1987년 2월 페로브스카이트 산화물 재료는 90 K에서 초전도 현상을 나타내었다. 이 발견은 지금은 냉매로서 액체 질소를 사용할 수 있기 때문에 매우 중요한 실용적 의미를 갖는 다고 할 수 있다. 이들 재료들은 상대적으로 높은 온도에서 초전도가 되기 때문에 고온초전도체라고 불리게 되었다. 이후 과학자들은 130 K이상에서 초전도를 나타내는 화합물을 만드는 많은 종류의 페로브스카이트들에 대하여 실험을 하였다. 현재 많은 정부기관, 회사, 대학에서 많은 돈을 고온초전도체 연구에 쏟아 붓고 있다. 새로운 초전도체를 쉽게 냉각할 수 있다는 것은 신초전도체 개발하거나 재료 제조공정, 또는 보다 고온에서 초전도체의 거동이 어떻게 되는가에 대한 이론적 연구를 활발하게 하는데 지대한 영향을 미쳤다. 고온초전도체의 전력 응용은 기계의 재현성이 향상되고 20 K보다 높은 온도에서 장치를 냉각할 수 있는 저비용 덕택에 지금은 실용적인 것으로 기대되고 있다. 초전도체의 역사는 이제 막 시작되었을 뿐이다.

2초전도의기본원리

2-1. 초전도체에서 전기저항이 사라지는 이유(BCS이론)

초전도를 이론적으로 완전히 이해하는 것은 양자역학과 관련이 있기 때문에 아주 복잡하고 어려운 일이다. 그러나 본 절에서는 초전도의 기본 현상과 원리에 대하여 알아보기로 한다.  초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 흘리는 능력을 갖고 있다.  구리와 같은 일반 도체에 전류를 흘리면 전기저항에 의한 에너지 손실이 일어난다.  백열전등이나 전기히터에서 전기 저항은 빛과 열로 변한다. 구리나 알루미늄과 같은 금속에서 전기는 최외각 에너지 준위의

전자들이 마치 한 원자에서 다른 쪽 원자로 개별적으로 이동하는 것과 같이 흐른다고 할 수 있다. 이들 원자들은 금속 도체 내에서 진동하는 격자를 형성하는데 금속이 뜨거워지면 격자는 더 진동하게 된다.  전자들이 미로와 같은 격자 안을 움직이기 시작하면 격자 내에 있는 아주 작은 불순물이나  결함들과 충돌하게 된다.  전자들이 이들 장애물들과 부딪히면 그것들은 모든 방향으로 튕겨 나가며 열을 내면서 에너지를 잃어버리게 된다.

그림 (3)은 결정 격자 내에서 규칙적으로 배열된 원자들과 그것들의 진행 방향에 있는 원자들과 부딪혀서 튕겨 나가는 이동 전자들을 보여주고 있다.  그러나 초전도체 내에 있는 전자들은 이것과는 완전히 다르게 움직인다.  불순물이나 격자들이 존재하고 있어도 장애물을 통과하는 초전도 전자들의 운동은 아주 달라지게 된다. 초전도전자들이 도체 내의 복잡한 격자를 통과할 때 전혀 방해를 안 받고 빠져나가는 것이다.  왜 이런 현상이 일어나는 것일 까?  초전도전자들은 아무 것과도 부딪히지 않고 전류나 에너지의 손실 없이  마찰이 없는 상태처럼 전기를 통과시키는 것이다.  전자들이 어떻게 초전도 재료 안에서 마치 아무런 방해도 받지 않은 것처럼 이동할 수 있을 가에 대하여 수십 년 동안 과학자들에게는 수수께끼였다.  물질은 뜨거워질수록 내부 격자는 더 많이 진동한다.  바꿔서 말하면 물질을 차갑게 하면 덜 진동한다는 말이다.  초기에 연구자들은 원자 진동이 작으면 전자들을 쉽게 통과시키는 것으로 믿었다. 그러나 이것은 온도와 함께 저항이 천천히 감소하는 것을 의미하는 것이다.

그러나 이러한 단순한 생각은 초전도를 설명할 수 가 없다는 것으로 곧 밝혀졌다. 초전도는 그것보다는 조금 복잡한 현상인 것이다.  1957년에 세 명의 미국 물리학자  John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer는 BCS이론을 제안하여 초전도를 이해하는 데 결정적인 역할을 하였다.  BCS이론은 온도가 영에 가까워 질 때 초전도가 어떻게 일어나는 지를 설명한 것이다. Cooper는 원자 격자의 진동이  전체 전류를 일체화하는데 직접 관련이 있을 것으로 이해하였다.  즉 격자가 전자들을 서로 짝 짓게 하여 도체 내에서 저항의 원인이 되는 모든 장애물들을 통과하게 하는 것이다. 짝을 이룬 전자는 쿠퍼쌍이라고 불린다. Cooper와 그의 동료들은 정상 상태에서는 서로 반발하는 전자들이 초전도체내에서는 불가항력적으로 서로 잡아당기는 힘을 느끼는 것으로 알았다. 이 문제에 대한 대답은 진동하는 격자 내에 존재하는 음파의 다발인 포논(phonon)에 있었다. 비록 격자 진동은 들을 수 없지만 중재자로서의 포논의 역할은 빼 놓을 수 없는 것이다.   BCS이론에 의하면 음전하를 띤 하나의 전자가 초전도체 격자내의 양전하를 띤 이온들 사이를 통과할 때 격자에 변형이 일어난다.

이것은 전자 주위의 양전하의 골을 형성하는 포논을 만들어 낸다. 그림(4)는 이동하는 전자에 대한 인력 때문에 격자변형의  모습을 나타낸 것이다.  전자가 통과하기 전에 그리고 격자가 원래 위치로 복원하기 전에 두 번째 전자가 골 사이로 빨려 들어온다.  서로 반발해야 하는 두 개의 전자가 연결되는 과정이다.  포논에 의하여 작용하는 힘은 전자들의 본래 갖고 있는 척력을 극복하는 것이다.  전자쌍은 그것들이 일체가 되어 도체 내를 통과하면서 서로 정합 관계를 갖는다.  전자들은 포논에 의하여 차폐되고  어떤 거리에서 분리된다. 전자들 중 하나가  쿠퍼쌍을 만들고 결정 격자 내에서 이온에 접근할 때 음전하를 띈 전자와 양이온 사이에서 작용하는 인력은 쌍의 다른 전자가 진동을 흡수할 때까지 한 이온에서 다른 이온으로 이동하기 위한 진동을 야기 시킨다.  실제 효과는 하나의 전자가 포논을 만들어 내고 다른 전자가  포논을 흡수하는 것이다.  쿠퍼쌍을 유지시키는 것이 바로 이러한 교환 거동인 것이다.  그러나 전자쌍들이 계속 파괴되고 새로 생성된다는 것을 이해하는 것이 중요하다.  전자들은 서로 구별할 수 없는 입자들이기 때문에 전자들이 서로 영구적으로 짝을 이루고 있는 것으로 생각하는 것이 쉽다.

그림(5)는 두개의 전자들이 어떻게 쿠퍼쌍을 만들고 서로 결합하는 가를 보여준다.

전자들이 두 개 씩 짝을 지어서 초전도체 속을 보다 수월하게 통과하는 것이다. 전자는 고속도로를 주행하는 자동차로 생각할 수 있다.  자동차가 질주하면서 차 앞 쪽의 공기를 가르면 뒤에서 따라가는 차는 마치 진공상태의 공간으로 따라 가는 상황이 벌어진다.  대기가 비어있는 곳은 유입된 공기에 의하여 재빨리 채워진다.  바로 뒤를 따라가는 차는 진공 부분에 공기가 유입되면서 끌려가는 것이다. 뒤차는 앞에 있는 차 때문에 효과적으로 당겨지는 것이다. 음전하를 띤 전자들이 재료의 결정 격자내를 통과하면서 그것들은 주위의 양이온 코아를 안 쪽으로 끌어당긴다.  변형된 격자가 다시 원래 상태로 되돌아 갈려고 할 때    근처를 통과하는 다른 전자는 마치 뒤차가 앞서가는 차에 의하여 앞쪽으로 끌려가는 것처럼 양이온 격자로 끌려간다.  초전도상태에 있는 전자들은 빨리 움직이는 차의 행렬과 같다. 전자들이 거시적이며 양자기저상태로의 응축이 일어나는 것처럼, 차 들 사이의 진공 영역은 그 차들을 한데 묶어 규칙적으로 배열하게 한다.  차의 주행 중 랜덤하게 불어닥치는 바람은 열적으로 여기된 포논이 전자쌍을 파괴하는 것처럼 충돌을 불러일으키는 것으로 비유할 수 있다.

BCS이론은 전자들이 결정격자 내에서 어떻게 서로 상호작용을 통하여 인력이 작용하는 가를 훌륭하게 설명하고 있다.  이것은 전자들이 같은 전하를 갖고 있음에도 불구하고 일어나는 것이다. 격자내의 원자들이 양과 음의 영역을 진동할 때 전자쌍은 충돌없이 서로 잡아당기거나 밀어낸다. 전자의 짝짓기에 의하여 물질의 에너지 상태가 낮아지기 때문에 일어날 수 가 있는 것이다. 전자들이 서로 짝을 지을 때 그것들은 초전도체내에서 전과 같이 이동

한다.  초전도체를 가능한 아주 낮은 온도로 냉각하는 동안 쿠퍼쌍은 약화된 분자운동에 의하여 완전하게 멈추어 있다. 그러나 초전도체가 받는 열에너지가 커지게 되면 격자내의 진동이 더 격렬하게 일어나고 전자쌍은 파괴한다.  전자쌍이 파괴되면 초전도는 소멸하게 된다. 초전도재료는   임계온도 critical temperature (Tc)에서 상전도상태에서 초전도상태로 전이가 일어난다.  초전도전이 온도이하에서는 물질의 전기저항은 영이 된다.  Tc는 만드는 물질에 따라 달라지게 된다.  세라믹계 초전도체에서 YBa2Cu3O7  Tc는 약 90 K이고  HgBa2Ca2Cu3O8+xx  의 Tc는 133 K에 이른다.  그림 (6)은 YBa2Cu3O7 의 저항-온도곡선을 나타낸 것이다.

초전도체로 전류를 흘릴 경우 전기 에너지의 손실이 전혀 없기 때문에, 초전도체로 만들어진 비교적  가는 도선을 통해서도 기존의 구리선과 비교해서 어마어마한 양의 전류를 흘릴 수 있다. 그러나, 초전도체에 흘릴 수 있는 전류의 양에도 한계는 있으며, 이 한계를 넘어 서면 초전도 현상이 사라지게 되고 더 이상의 전류를 흘릴 수 없게 된다. 초전도체가 비록 임계온도 이하의 상태에 있다고 하더라도, 너무 많은 양의 전류가 초전도체에 흐를 경우 초전도체는 상전도 상태로 전이되고 만다. 이러한 최대 전류를 규정하는 값이 '임계전류밀도'라 불리는 Jc 이다. 그리고 Jc는 Tc의 함수로서, 초전도체의 온도를 더 낮게 만들수록 더 많은 전류를 흘릴 수 있다.   그림(7)은 초전도 선재의 전류 대 전압에 관한 그래프이다. 실제 응용에 사용하려면, Jc는 1,000(A/mm2) 이상은 되어야 한다.

2-2. 마이스너 효과(완전반자성효과)란
도선에 흐르는 전류는 도선 주변에 자기장을 형성한다. 그리고, 도선의 전류가 증가함에 따라 이 자기장 또한 증가한다. 초전도체는 에너지 손실 없이 많은 전류를 흘릴 수 있으므로, 강한 전자석을 만드는데 적합하다. 초전도체가 임계온도 이하로 냉각되어 있는 상태에서 초전도체 주변에 자기장을 증가시킬 경우 자기장은 초전도체 내부로 침투하지 못하고 초전도체 표면 주위에 머무르게 된다. 자기장을 표시하는 기호로는 대문자 H가 주로 사용된다. 자기장의 세기가 일정 값까지 증가하면 초전도체는 상전도 상태로 전이한다. 이 최대 자장값을 '임계자장'이라 하고 Hc라고 표기한다. 이 영역을 벗어나면 물질은 상전도 상태로 전이한다. 그림(8)은 온도와 자장의 관계를 보여준다.
	그림(9)는 초전도체가 자기장 하에 놓여 질 때, 어떤 현상이 벌어지는 지를 보여준다. 초전도체가 임계온도(Tc) 이하의 온도로 냉각되어 있다면, 초전도체는 자기장을 자신의 몸체 밖으로 밀어 낼 것이다. 이것은 초전도체가 자신의 내부에 외부자장을 정확히 상쇄 할 수 있는 차폐전류를 발생시킴으로써 이런 현상을 가능케 한다. 결국, 초전도체는 자신 내부의 모든 자장을 제거하는 '완전반자성'을 띠게 된다. 이 완전 반자성 특성은 초전도체의 거시적 특성들 중 가장 기본이 되는 특성이다. 마이스너효과(완전반자성)에 의한 자기배척(flux exclusion)현상은 초전도체의 온도를 Tc이하로 낮춘 상태에서 소형 자석을 그 위에 올려놓는 방법으로 학교 수업시간에라도 쉽게 증명할 수 있는데, 이렇게 하면 자석은 초전도체 위해 뜨기 시작할 것이다.
대부분의 경우, 영구자석에서 방사되어 초전도체에 가해지는 (자석이 올려진 높이에 의존하는)초기 자기장은 초전도체를 투과할 만큼 강하며, 따라서 이 자기장의 일부는 초전도체에 상전도 영역을 발생시킬 것이다. 이로 인하여 자석은 초전도상태가 만들어진 이후에도 초전도체를 처음 높이 만큼 부상시키지 못할 것이다.
초전도체에는 제 1종과 제 2종으로 불리는 두 가지의 종류가 있다. 순수한 납, 수은 그리고 주석은 제1종 초전도체에 해당한다. 고온 세라믹계 초전도체인 YBa2Cu3O7 (YBCO) and Bi2CaSr2Cu2O9등은 제 2종 초전도체에 해당한다. 그림(10)은 1종 초전도체의 외부자기장과 유도자기장의 관계를 나타낸 그래프이다. 1종 초전도체에 외부자장이 가해질 경우 초전도체가 상전도체로 급격하게 전이되기 전까지 외부자장을 정확히 상쇄하는 유도자기장이 발생함을 그림(10)을 통해서 알 수 있다. 1종 초전도체는 순수 금속 계열이며, 초전도자석으로 응용되기에는 너무나 작은 임계자기장을 갖고 있다.자기장은 가우스(gauss) 단위로 측정된다. 지구 자기장의 세기는 약 0.5gauss 정도이다. NB(neodymium-iron-boron)계열 영구자석의 표면에서의 자기장은 약 16 kilogauss정도이다. 가장 강력한(Hc가 가장 높은) 제 1종 초전도체인 납의 경우라도 임계 자기장은 약 800gauss에 불과하다. 가우스(gauss)는 매우 작은 단위이다. 이보다 큰 단위는 테슬라(tesla, T)로서 1 T는 10,000gauss와 같은 값이다. 그림(11)은 2종 초전도체에서 외부자기장과 유도자기장과의 관계를 표현한 것으로서, 외부자장이 증가할 경우에 2종 초전도체가 어떻게 반응하는 지를 보여준다.1종 초전도체에서와는 달리 두 개의 임계자기장 Hc1 과 Hc2가 있음을 확인할 수 있을 것이다. Hc1 이하에서 초전도체는 모든 외부 자기장을 배척한다. Hc1과 Hc2 사이에서는 자기장이 초전도체로 침투되기 시작한다. 이런 상태를 '혼합상태'라 부르는데, 이는 초전도체의 일부는 상전도 상태로 전이되고, 일부는 여전히 초전도 상태로 남아 있기 때문에 붙여진 이름이다.
이1종 초전도체의 Hc는 실제 기기들에 응용되기에는 너무나도 작다. 반면에, 2종 초전도체의 Hc2는 상당히 크며 YBa2Cu3O7의 경우 약 100 T 정도나 된다.
2종 초전도체의 거동은 마이스너 효과를 이해하는 데에도 도움을 준다. 1종 초전도체 위에 자석을 부상시킬 경우, 자석이 초전도체로부터 밀려 떨어지는 것을 막기 위해서는, 자석과 초전도체 사이에 작용하는 반발력이 자석 표면에 균일하게 분포 되어야한다. 결국, 부상을 위해서는 그릇 모양의 초전도체가 사용되어야 한다. Samarium-cobalt 자석 표면의 자기장은 약 600gauss 정도이고 YBCO 초전도체의 Hc1은 200gauss 이하이다. 만약 samarium-cobalt자석과 YBCO 초전도체를 사용하여 마이스너효과 실험을 한다면, YBCO 초전도체는 틀림없이 혼합상태에 놓여 있을 것이다. 자석에서 방사된 자기장의 일부는 초전도체에 침투하여 결정구조의 '결함'이나 '결정입계'에 포획될 것이다. 이런 현상을 flux pinning이라고 부르며, 이 현상에 의해 자석은 초전도체 위에 부상하여 '고정'된다. 초전도 상태는 중요한 세 개의 factor에 -임계온도, 임계자장, 임계전류-의해 결정된다. 각각의 factor들은 상호 의존적이다. 초전도 물질을 초전도 상태로 유지하기 위해서는 자기장, 전류밀도 그리고 온도가 모두 각 임계값 이하에 머물러야 한다. 그림(12)의 상태도는 Tc, Hc, Jc 사이의 상호관계를 표현한다. Hc와 Jc의 최대값은 0 K에서 나타나는 반면, Tc의 최대값은 H와 J가 0일 때 나타난다. 세 개의 파라미터를 모두 고려하면 그림(12)는 하나의 임계 표면을 형성한다. 표면에서 중심 사이의 공간에 초전도체가 놓일 이 초전도체는 초전도상태를 띠게 된다. 이 표면 밖에서는 상전도 상태 혹은, 에너지 손실이 있는 혼합상태에 놓이게 된다.
전자가 cooper 쌍을 구성한 경우 전자들은 같은 양자 파동함수(quantum wave-function) 혹은, 같은 에너지 준위를 공유하게 된다. 이것은 초전도체의 에너지 준위를 낮추는 결과를 가져온다. Tc와 Hc값에서 전자쌍은 분리된다. 임계전류값 이상의 전류는 상전도 영역을 통해 흘러가게 된다. 혼합상태의 상전도 영역을 통과해서 흐르는 전류는 pinning 영역을 관통하고 있는 자기장과 상호 작용하게 된다. 대부분의 실제 응용에서는 초전도체는 상전도로 전이되지 않으면서, 많은 전류를 흘릴 수 있어야 하며 동시에 강한 자기장에 견딜 수 있어야 한다. Hc와 Jc 값은 에너지 최소화에 영향을 주는 두 개의 중요한 파라미터인 '침투깊이'와 '간섭성 길이'에 의존한다. 초전도체는 외부자장을 상쇄하기 위해 표면에 표면전류를 발생시킨다.
그러나, 표면에서 완벽하게 자기장을 차폐 할 수는 없으며 초전도체로 일정부분 외부 자장이 침투한다. 자장이 침투 하는 깊이를 '침투 깊이'라고 부른다. '간섭성 길이'는 초전도 상태가 형성되는 최소 거리로서 이 거리 이상에서 초전도상태를 나타낸다. (예를 들어, 초전도체의 표면 부근을 생각할 경우, 표면 근처에서 초전자(전자쌍)의 밀도는 0에 가깝고 내부로 갈수록 초전자(전자쌍)의 밀도는 증가한다. 표면에서부터 일정거리 만큼 안쪽에서 드디어 초전자(전자쌍)의 밀도가 초전도 현상을 나타낼 만큼 증가한다. 이때의 거리를 '간섭성 길이'라 정의한다.)침투깊이와 간섭성길이의 비는Ginzburg-Landau 파라미터로 알려져 있다. 만약 이 비가 0.7 이상이 되면 자속 배척(flux exclusion)은 더 이상 발생하지 않고 자속은 votice로 알려진 core(心)을 통해 초전도체를 투과하게 된다. 상전도 core 주변에서 회전하고 있는 전류는 외부자장과 같은 방향의 자기장을 발생시킨다. 이런 미량의 자기장들은 서로를 밀쳐 내며, 정렬된 모양으로 자신들을 배치한다. 이런 정렬된 모양을 '자속 격자'라고 부른다. 이런 혼합상태(상전도core와 초전도상태가 공존하는 상태)는 초전도체를 Hc1과 Hc2사이에 머무르도록 한다. 초전도체에 전류가 흐를 때, vortice들이 자기장에 의하여 이동하지 않는다는 사실은 매우 중요하다. Vortex의 이동은 초전도체 내에 저항을 발생시킨다. Vortex의 이동은 첨가물, 불순물, 결정입계와 같은 원자적 결함이 있는 영역에 효과적으로 고정될 수 있다.vortex의 '고정영역'(pinning site)는 초전도재료에 불순물을 첨가하거나 혹은 재료를 방사능으로 손상을 입힘으로서 인위적으로 생성시킬 수 있다.

2-3. 조셉슨 효과란 ?
지금까지 마이스너 효과와 완전도전성(저항=0)과 같은 초전도체의 거시적 특성으로 일컬어 지는 특성들에 대해 살펴보았다. 지금부터는 양자역학적 혹은 미시적 특성이라고 불리는 특성들에 대해 초점을 맞출 것이다. 미시적 특성의 한 예로는 초전도체의 '전자 터널링효과'가 있다. 터널링은 전자의 파동적 특성으로부터 기인하는 현상으로, 전자가 공간을 통해 이동되기 때문에 나타난다. 고전 물리학에서는 전위장벽 때문에 불가능하리라 여겨졌던 현상이다. 1962년 브리안 조셉슨은 절연체로 분리되어 있는 두 개의 초전도체 사이에서 전자쌍이 터널링하는 것을 발견하였다. 조셉슨은 초전도체 사이의 절연막이 산화막과 같이 10에서 20 옹스토롱 정도로 얇을 경우 전자쌍들이 저항없이 절연체(절연장벽)을 통과 할 수 있음을 발견하였다. 이것은 '직류 조셉슨 효과'로 알려져 있으며, 일반적인 물질에서 전류가 흐를 때 반드시 전위차가 나타나는 현상과는 반대되는 현상이다. '직류 조셉슨 접합'을 통해 흐르는 전류는 접합재료와 접합부의 형 상에 의존하는 임계 전류값을 가진다. 하나의 조셉슨 접합은 얇은 절연장벽으로 분리되어 있는 두 개의 초전도체로 구성된다. 초전자(전자쌍)은 이 절연 장벽을 통과하여 터널링 할 것이다. 임계전류값 이하의 전류가 접합부를 흐르는 동안 접합부에 저항은 나타나지 않을 것이며, 전압강하 또한 없을 것이다. 만약 조셉슨 접합이 전류가 흐르는 도선 옆에 놓인다면, 도선에 흐르는 전류가 발생시킨 자기장에 의해 조셉슨 접합의 임계전류값은 감소할 것이다. 조셉슨 접합에 흐르고 있는 전류량이 이전과 같다고 하더라도, 임계전류 값이 자기장 에 의해 낮아진 관계로 접합에 흐르는 전류는 임계전류를 초과한 결과를 초래한다. 따라서, 접합부에는 전류를 분류시킬 만큼의 저항이 발생하게 된다. 그림(13)과 (14)는 조셉슨 효과와 조셉슨 접합을 설명하는 그림이다. 특히, 그림(14)는 조셉슨 접합에서의 전류-전압 관계를 표현한 그래프이다.
조셉슨 접합은 초고속 스위치 장치로 응용이 된다. 조셉슨 접합은 기존의 반도체 회로보다 약 10 ∼ 100 배 이상 빠르게 스위칭 기능을 수행할 수 있다. 이것은 전기적 on-off 펄스에 의존하는 컴퓨터와 같은 장비에 충분히 활용될 수 있다. 컴퓨터의 속도는 신호 전달에 소요되는 시간에 의존하기 때문에, 조셉슨 접합 장치는 그것의 탁월한 스위칭 속도로 인해 초고속 초소형 컴퓨터에 이상적으로 적용될 수 있다.