전이

전이란 어떤 상황 또는 물질의 형태가 특정 국면에서 다른 국면으로 전환되는 것을 말한다.

물리학에서 전이 (transition)는 일반적으로 물질의 상태가 변화하는 것을 의미하며 이 때문에 상전이 (phase transition)라는 표현을 가장 많이 사용한다. 물질이 고체에서 액체로, 액체에서 기체의 형태로 변화하는 것 등이 (상)전이의 가장 잘 알려진 예가 된다. 또한 어떤 물리적 시스템이 특정한 양자역학적 상태에 있다가 어떤 상호작용으로 인해 다른 양자역학적 상태로 바뀌는 경우도 전이라 말할 수 있으며 이 경우는 양자역학적 상전이 (quantum mechanical phase transition)라고 표현한다.

초전도 현상은 양자 역학적인 전이 현상의 대표적인 예로 특정 온도 이하에서 저항이 완전히 0이 되고 완벽한 반자성을 띄게 되는 극적인 전환을 일으키게 되어 많은 물리학자들이 오랫동안 연구하고 있는 전이 현상이다. 초전도 현상 뿐 아니라 대부분의 전이 현상은 물질의 상 (phase), 또는 상태 (state)가 전이 이전과 이후에 매우 다른 형태로 극적인 변화를 하게 되어 물리학자들의 흥미를 일으키고 있으며 이 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.

그림 1. 고온초전도체가 액체질소 온도에서 초전도 상전이를 일으켜 영구자석 위에서 완벽한 반자성을 띄어 공중에 떠있는 모습 ()

상전이 (phase transition), 또는 상변화 (phase change)라는 용어는 일반적으로 고체, 액체 및 기체 상태 간의 물질 이동, 그리고 때때로 플라즈마 상태로 이동까지를 설명하는 데 가장 일반적으로 사용된다. 열역학 시스템에서 상(phase)과 물질의 상태는 균일한 물리적 성질을 가지고 있는 상황을 일컫는다. 특정한 물질이 상전이를 하면 매질의 특정한 물리적 성질은 온도나 압력과 같은 외부 조건의 변화에 의해 보통 불연속적으로 변화하게 된다. 예를 들어 액체의 온도가 끓는 점 위로 올라가게 되면 이 액체는 기체가 되고 그 결과로 이 물질의 부피는 갑자기 증가하게 된다. 이러한 성질의 변화가 이루어지는 외부 조건들을 측정 또는 인지하는 것을 ‘상전이가 이루어진다’ 라고 말한다.

이와 더불어 물질이 온도, 압력 변화 등과 같은 특정한 외부 변화에 의해 원자의 결정구조가 변화하는 경우도 있는데 이러한 변화를 구조 전이 (structural transition)라 한다. 구조 전이에 의해 원자의 결정구조가 달라지면 물질의 전자기적 특성, 광학적 특성이 완전히 달라질 수 있다. 구조 전이 또한 외부 조건이 변화하여 다시 원래의 조건이 될 경우 원래의 구조로 돌아오는 가역적인 현상을 보여준다.

전이가 일어나는 특정 지점 (예를 들어 물의 끓는점 등)에서는 두 개의 상태 (액체상태의 물과 기체상태의 수증기)가 공존할 수 있는데 이때는 두 개 상에서의 자유에너지 (free energy)가 같은 상태로 공존할 수 있게 된다.

전이는 위에서 설명한 바와 같이 주로 열역학적인 현상으로 관찰되는 경우가 많다. 따라서 대부분의 상전이는 통계 물리학적인 해석을 주로 사용하여 많은 수의 입자가 있는 시스템 (many body system)에서 상호작용에 의해 전이가 일어날 수 있다. 반대로 입자의 수가 적은 시스템에서는 같은 조건에서 상대적으로 상호작용이 일어나는 빈도가 낮아 전이가 일어나지 않을 확률이 존재할 수 있다. 특정한 시스템의 경우 앞서 말한 온도, 압력과 같은 열역학적인 인자가 전이를 매개하지 않고 다른 변수가 전이를 유발할 수 있는데 물리학에서 자주 사용되는 침투 (percolation) 현상의 경우 경로와 경로사이를 연결하는 연결 확률 (connection probability) 자체가 전이의 주 변수로 사용될 수도 있다.