양자역학22 전기가 ‘저항 없이 흐르는’ 기적의 원리: 초전도체와 쿠퍼페어(Cooper Pair) 1. 겨울 밤, 전기가 사라지지 않는다면?겨울밤 난방을 켤 때마다 전선에서 발생하는 열손실(저항) 때문에 실제로는 많은 에너지가 낭비된다.그런데 만약 전기가 흐르면서 열이 전혀 발생하지 않는 물질이 존재한다면 어떨까?이 상식적으로 불가능해 보이는 현상을 실현한 것이 바로 **초전도체(superconductor)**이며,그 중심 원리가 **쿠퍼페어(Cooper Pair)**이다.2. 초전도 현상: 전기 저항이 0이 되는 상태초전도체는 일정 온도(Tc) 이하로 냉각하면전기 저항이 완전히 사라지고, 내부에 자기장이 침투하지 못하는 Meissner 효과가 나타난다.하지만 이 두 현상은 단순한 ‘차가움’ 때문이 아니라물질 내부 전자가 특별한 방식으로 짝을 이루기 때문이다.그 짝이 바로 쿠퍼페어다. 3. 쿠퍼페어(.. 2025. 12. 11. 양자우물과 양자점 기술: TV부터 양자컴퓨터까지, 나노 기술이 바꾸는 우리의 일상 보이지 않는 세계가 만드는 혁신여러분이 지금 보고 계신 스마트폰 화면, 거실의 LED TV, 그리고 밤길을 밝히는 자동차 헤드램프. 이 모든 것들의 공통점이 무엇일까요? 바로 눈에 보이지 않는 나노 세계의 기술, '양자 우물'과 '양자점'이 숨어 있다는 것입니다."전자를 작은 공간에 가두면 색과 성능을 마음대로 설계할 수 있다"는 놀라운 원리를 바탕으로, 오늘날 반도체 산업은 눈부신 발전을 이루고 있습니다. 이 글에서는 우리 일상 속 깊숙이 자리잡은 양자 기술을 쉽게 풀어서 설명해드리겠습니다. 1. 양자 우물(Quantum Well)이란 무엇인가?1-1. 전자를 가두는 샌드위치 구조양자 우물을 이해하는 가장 쉬운 방법은 '빵 사이에 잼을 넣은 샌드위치'를 떠올리는 것입니다. 두 개의 서로 다른 반도체 물.. 2025. 12. 10. 반도체 밴드 구조와 전자의 양자적 이동: 스마트폰 속 보이지 않는 세계 들어가며매일 아침 스마트폰을 켜는 그 순간, 우리 손안에서는 수십억 개의 전자들이 정교한 '양자 춤'을 추고 있습니다. 이 작은 입자들의 움직임이 어떻게 스마트폰, 컴퓨터, AI 반도체를 작동시키는지 알아보겠습니다.밴드 구조란 무엇인가?원자에서 결정으로: 에너지 띠의 탄생고립된 원자에서 전자는 특정한 에너지 궤도(1s, 2p 등)에만 존재할 수 있습니다. 하지만 수많은 원자들이 규칙적으로 배열되어 결정을 이루면 상황이 완전히 달라집니다.인접한 원자들의 전자들이 양자역학적으로 상호작용하면서 개별 에너지 준위들이 합쳐져 **연속적인 띠(밴드)**를 형성하게 됩니다.두 가지 핵심 밴드가전자대(Valence Band)원자에 결합되어 있는 전자들이 존재하는 영역상대적으로 낮은 에너지 상태전도대(Conduction.. 2025. 12. 9. 양자 조화 진동자: 모든 물리계를 설명하는 가장 강력한 모델 서론: 우주는 왜 진동하는가?몇 년 전, 대학원 연구실에 새로 들어온 신입생이 흥미로운 질문을 했습니다."왜 물리학자들은 항상 조화 진동자 모델을 사용하나요? 우주에 스프링이라도 깔려 있는 건가요?"처음에는 단순한 질문으로 들렸지만, 사실 이것은 물리학의 핵심을 정확하게 짚어낸 질문입니다. 우주를 구성하는 거의 모든 미시적 물리계는 어떤 형태로든 진동하며, 그 진동은 대부분 조화 진동자 모델로 설명됩니다.양자역학에서는 이것이 더욱 중요해집니다. 원자, 분자, 전자기장 등 모든 것이 결국 양자 조화 진동자의 해로 표현되기 때문입니다.조화 진동자란 무엇인가?조화 진동자는 복원력이 변위에 비례하는 시스템을 말합니다. 가장 간단한 예는 스프링에 매달린 물체입니다.F = -kx이 간단한 방정식에서 시작하여, 물리.. 2025. 12. 4. 양자터널링: 장벽을 넘어가는 확률의 물리학 며칠 전, 저장장치의 데이터 보존 문제를 조사하다가 문득 한 가지 사실을 떠올렸다.SSD나 USB 같은 플래시 메모리에 전자가 저장되는 과정은 “터널링”이라는 현상에 의존한다는 것.전자가 산화막이라는 얇은 장벽을 관통해 트랩층에 들어가고, 빠져나오는 과정이 곧 0과 1의 정의를 만든다.그런데 가만히 생각해보면 설명이 이상하다.“전자가 장벽을 넘어간다? 에너지가 부족한데?”고전역학이라면 절대 성립할 수 없는 이야기다.하지만 자연은 우리 상식과 다르게 작동한다.이 글에서는 바로 그 “상식 바깥의 세계”, 양자터널링을 차분하게 풀어본다.1. 고전역학의 직관: 에너지가 부족하면 벽은 넘을 수 없다고전역학에서는 물체의 운동이 명확하다.위치, 속도, 에너지—이 값들이 정확히 정해져 있으니결과도 예측 가능하다.높이가.. 2025. 12. 2. 양자역학이 없었다면 GPS도 없다: 시간·공간을 재는 과학 0. 너무 익숙해서 묻지 않았던 질문스마트폰으로 길을 찾을 때,자동차 내비게이션을 켤 때,택배가 어디쯤 왔는지 확인할 때도우리는 아무 의심 없이 GPS를 사용한다.너무 자연스러워서“왜 이렇게 정확할까?”라는 질문조차 잘 떠올리지 않는다.그런데 이 평범한 기술이사실은 양자역학 없이는 작동할 수 없다는 사실을 알게 되었을 때,조금 다른 시선으로 GPS를 보게 되었다.이 글은“왜 미시 세계의 법칙이 길 찾기에까지 필요해졌을까?”라는단순한 궁금증에서 시작된 정리다..1. GPS의 본질은 ‘지도’가 아니라 ‘시간’이다GPS는하늘을 도는 24개 이상의 인공위성이지상으로 신호를 보내고,우리의 기기가 그 신호를 받아 위치를 계산하는 시스템이다.이 과정의 핵심은 거리처럼 보이지만,실제로는 시간 측정이다.위성이 신호를 보.. 2025. 11. 23. 이전 1 2 3 4 다음
