초전도체의 원리 완전 해부: 쿠퍼쌍과 BCS 이론 쉽게 이해하기

2025. 3. 23.

by. 퀀텀 프리즘

초전도 현상은 특정한 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상으로, 1911년 네덜란드 물리학자 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 처음 발견되었다. 이후 과학자들은 이 현상의 근본적인 원리를 이해하기 위해 연구를 진행하였으며, 1957년 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 슈리퍼(John Schrieffer)가 제안한 BCS 이론이 등장하면서 초전도 현상의 미시적 메커니즘이 밝혀졌다.

BCS 이론의 핵심 개념인 쿠퍼쌍(Cooper Pair) 은 초전도체에서 전자들이 어떻게 저항 없이 흐를 수 있는지를 설명하는 데 중요한 역할을 한다. 이 이론에 따르면, 특정한 온도 이하에서는 금속 내 전자들이 격자 진동(phonon)의 도움을 받아 서로 결합하여 쿠퍼쌍을 형성하고, 이들이 집단적으로 응축되면서 전기 저항 없이 전류가 흐르게 된다.

그러나 BCS 이론은 모든 초전도체를 설명하지는 못한다. 특히, 1986년 이후 발견된 고온 초전도체(high-temperature superconductors)는 BCS 이론에서 설명하는 격자 진동만으로는 초전도성을 유발할 수 없으며, 강한 전자-전자 상관관계 등 새로운 물리적 메커니즘이 필요하다는 점이 제기되었다.

본 글에서는 초전도 현상의 핵심 개념인 쿠퍼쌍과 BCS 이론의 원리를 살펴보고, 격자 진동이 초전도성에 미치는 영향, 그리고 BCS 이론이 가진 한계와 이후 연구 방향에 대해 자세히 알아본다.

1. 초전도체란 무엇이며 어떻게 작동할까?

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질을 말하며, 이 상태에서는 전류가 에너지 손실 없이 흐를 수 있다. 다시 말해, 한 번 전류를 흘려주면 전류가 무한히 흐를 수 있는 것이다. 이 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스가 처음 발견하였으며, 이후 여러 연구자들이 초전도 현상의 근본적인 원리를 이해하기 위해 연구를 진행해왔다. 그중에서도 1957년 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 슈리퍼(John Schrieffer)가 제안한 BCS 이론은 초전도 현상을 설명하는 가장 중요한 이론으로 자리 잡았다. 이 이론의 핵심 개념인 쿠퍼쌍(Cooper pair)은 초전도체에서 전자가 어떻게 저항 없이 흐를 수 있는지를 설명하는 데 중요한 역할을 한다.

2. 쿠퍼쌍은 무엇이고 왜 중요한가?

쿠퍼쌍(Cooper Pair)은 초전도 현상의 핵심 개념 중 하나로, 특정 조건에서 자유 전자들이 두 개씩 짝을 이루어 움직이는 상태를 의미한다. 일반적으로 금속이나 도체 내부에서 전자는 서로 반발하는 성질을 가지지만, 특정한 온도 이하에서는 오히려 약하게 결합하여 한 쌍을 이루게 된다. 이러한 전자쌍이 형성되는 것이 바로 초전도 현상의 근본적인 원인 중 하나이며, BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론이 이를 설명하는 핵심 개념으로 제안되었다.

2.1. 전자는 왜 결합해 쿠퍼쌍을 이룰 수 있을까?

금속 내부의 전자는 모두 음전하를 띠고 있어 기본적으로 서로 밀어내는 쿠롱(Coulomb) 반발력을 갖는다. 하지만 극저온 환경에서는 이 반발력을 극복하고 오히려 약한 인력을 통해 결합할 수 있는 특수한 조건이 형성된다. 이러한 결합을 가능하게 하는 것이 바로 격자 진동(phonon) 이다.

금속이나 도체 내부에서 전자가 움직이면, 이는 금속 격자를 구성하는 양이온(positive ion)들에게 영향을 미친다. 빠르게 움직이는 전자가 주변의 양이온을 순간적으로 끌어당기면서 국소적으로 양전하 밀도가 증가하게 되고, 이로 인해 다른 전자가 이 국소적인 양전하 영역으로 끌려오게 된다. 이런 과정을 통해 두 개의 전자가 간접적으로 인력을 형성하며 한 쌍을 이루게 된다. 이러한 전자쌍이 바로 쿠퍼쌍이다.

2.2. 쿠퍼쌍은 어떻게 행동하며 초전도를 유도할까?

쿠퍼쌍을 이루는 전자들은 특정한 양자역학적 상태에 놓이며, 단순한 독립적인 전자들과는 다르게 행동한다. 일반적으로 금속 내부의 자유 전자들은 개별적으로 움직이며 난류적인 흐름을 보인다. 그러나 쿠퍼쌍이 형성되면, 이들은 상관관계를 갖는 하나의 집합적인 상태를 이루어 낮은 저항 상태에서 공동으로 이동하게 된다.

쿠퍼쌍은 두 개의 전자가 동일한 에너지를 가지며, 정반대 방향의 스핀(spin)을 가지도록 결합된다. 이는 양자역학적인 대칭성으로 인해 안정적인 파동함수를 유지할 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 쿠퍼쌍은 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein Condensation)과 유사한 방식으로 다수의 쌍들이 동일한 양자 상태를 공유하며 집단적으로 행동한다.

2.3. 쿠퍼쌍은 왜 전기 저항 없이 흐를 수 있을까?

초전도체 내부에서는 쿠퍼쌍이 형성되면서 전기 저항이 사라지는 현상이 발생한다. 일반적인 전기 전도체에서는 전자가 이동하는 과정에서 금속 격자와 충돌하며 저항이 발생하지만, 쿠퍼쌍은 이러한 충돌에 의해 쉽게 깨지지 않는다. 쿠퍼쌍의 집단적인 행동 덕분에, 모든 쿠퍼쌍은 하나의 조화로운 흐름을 형성하며 장애물 없이 금속 내부를 이동할 수 있다. 그 결과, 특정 온도 이하에서는 완전한 초전도 상태가 형성되며 저항이 0이 된다.

쿠퍼쌍은 온도가 임계온도(critical temperature) 이상으로 올라가면 붕괴되며, 초전도성이 사라지게 된다. 즉, 쿠퍼쌍이 존재하는 동안만 초전도 현상이 유지되며, 이는 BCS 이론이 예측하는 중요한 결과 중 하나다.

2.4. 쿠퍼쌍이 실제로 존재한다는 증거는 무엇인가?

쿠퍼쌍이 존재한다는 사실은 다양한 실험을 통해 확인되었다. 대표적인 실험 중 하나는 초전도 갭(superconducting gap)의 측정이다. 초전도체에서는 정상 전도체와 비교하여 특정한 에너지 간격(에너지 갭)이 존재하는데, 이는 쿠퍼쌍이 안정적으로 유지되기 위해 필요한 최소한의 에너지를 반영한다.

또한, 조셉슨 효과(Josephson Effect) 라는 실험적 현상도 쿠퍼쌍의 존재를 뒷받침한다. 이는 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연층을 두었을 때, 전류가 외부 전압 없이도 흐를 수 있는 현상을 의미한다. 조셉슨 효과는 쿠퍼쌍이 개별적인 전자가 아니라 집단적으로 양자역학적인 행동을 한다는 점을 입증하는 중요한 실험적 증거로 사용된다.

2.5. 쿠퍼쌍과 현대 연구

쿠퍼쌍 개념은 전통적인 초전도체뿐만 아니라, 고온 초전도체(high-temperature superconductor) 연구에서도 중요한 역할을 한다. 기존의 BCS 이론은 낮은 온도에서만 초전도성을 설명할 수 있었지만, 1986년 이후 발견된 고온 초전도체에서는 다른 형태의 쿠퍼쌍 형성이 존재할 가능성이 제기되고 있다.

최근 연구에서는 쿠퍼쌍과 관련된 새로운 물리적 메커니즘을 이해하기 위해, 양자 컴퓨팅(Quantum Computing), 탑올로지적 초전도체(Topological Superconductors) 등의 분야에서도 응용 가능성을 탐구하고 있다.

3. BCS 이론이 초전도체를 어떻게 설명할까?

BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer Theory)은 1957년 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 슈리퍼(John Robert Schrieffer)에 의해 제안된 초전도 현상을 설명하는 양자역학적 이론이다. 이 이론은 특정한 온도 이하에서 금속 내 전자가 쿠퍼쌍(Cooper Pair)을 형성하고, 이러한 전자쌍이 집단적으로 응축되어 초전도 상태를 만든다는 내용을 포함한다.

BCS 이론은 기존의 전기 전도 이론으로는 설명할 수 없었던 초전도체의 저항이 0이 되는 현상을 성공적으로 설명한 최초의 미시적인 이론이며, 이를 통해 세 명의 과학자는 1972년 노벨 물리학상을 수상했다. 이번 글에서는 BCS 이론의 핵심 원리를 보다 자세하게 살펴보겠다.

3.1. 초전도 현상과 기존의 한계

초전도체는 일정 온도(임계 온도, Tc) 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 보인다. 이는 1911년 네덜란드 물리학자 카말링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 수은에서 처음 발견되었다. 그러나 당시의 고전 전기 전도 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없었다.

기존의 전자 전도 이론(드루드 모델, 페르미 기체 모델)에 따르면, 금속 내부에서 전자는 금속 이온과 충돌하면서 전기 저항을 유발하게 된다. 온도가 낮아질수록 이온의 진동(격자 진동, phonon)이 줄어들어 저항이 감소하지만, 절대 0K(켈빈)에서는 저항이 완전히 사라질 것으로 예상되지 않았다. 그러나 초전도체에서는 저항이 아예 0으로 사라지는 현상이 발생하며, 이 과정에서 강한 자기장이 물질 내부로 침투하지 못하는 마이스너 효과(Meissner Effect) 도 관찰되었다.

이러한 현상을 설명하기 위해 BCS 이론이 등장하였다.

3.2. 쿠퍼쌍과 전자의 결합

BCS 이론의 핵심은 쿠퍼쌍 형성에 있다. 일반적인 조건에서 전자는 같은 음전하를 띠므로 서로 반발한다. 그러나 초전도 상태에서는 전자들이 서로 결합하여 두 개씩 짝을 이루게 되는데, 이것이 쿠퍼쌍이다.

쿠퍼쌍 형성의 주요 원리는 다음과 같다:

한 개의 전자가 금속 내부에서 움직일 때, 주변의 양이온 격자(금속 원자핵)가 순간적으로 변형된다.
이 변형된 격자는 순간적으로 국소적인 양전하를 띠게 되며, 다른 전자가 여기에 끌려오게 된다.
결과적으로 두 개의 전자는 직접적인 인력이 아닌, 격자 진동(phonon)을 매개로 하는 간접적인 상호작용을 통해 서로 결합한다.
쿠퍼쌍을 이루는 전자는 반대 방향의 운동량과 스핀을 가지며, 하나의 단일한 양자 상태를 형성한다.

이러한 쿠퍼쌍이 존재하는 한, 전자는 독립적으로 움직이는 것이 아니라 집단적으로 이동하게 된다.

3.3. 쿠퍼쌍의 집단적 행동과 초전도성

쿠퍼쌍을 이루는 전자들은 개별적으로 움직이는 것이 아니라, 동일한 양자 상태에 놓여 집단적으로 응축된다. 이는 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein Condensation)과 유사한 현상이다. 이러한 응축 상태에서는 개별적인 전자와 격자 사이의 충돌이 거의 발생하지 않으며, 외부에서 에너지를 가해도 쉽게 흩어지지 않는다. 즉, 쿠퍼쌍들이 같은 양자 상태를 공유하는 이상, 모든 쿠퍼쌍은 하나의 조화로운 흐름을 형성하며 전기 저항 없이 전류를 흘릴 수 있다. 이는 BCS 이론이 초전도 현상을 설명하는 가장 중요한 원리 중 하나이다.

3.4. 초전도 갭이란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

BCS 이론에서는 초전도 상태에서 일반적인 정상 상태(normal state)와의 차이를 설명하기 위해 초전도 에너지 갭(Δ, Delta) 개념을 도입한다. 초전도 에너지 갭이란, 쿠퍼쌍을 깨뜨리기 위해 필요한 최소한의 에너지를 의미한다. 즉, 임계 온도 Tc 이하에서는 전자들이 쿠퍼쌍을 이루며 안정적인 상태를 유지하지만, 임계 온도를 넘어서면 이 에너지 갭이 사라지면서 초전도성이 소멸한다. 초전도 갭은 여러 실험을 통해 검증되었으며, 이는 초전도체의 물리적 특성을 결정하는 중요한 요소 중 하나로 작용한다.

4. 격자은 어떻게 초전도성을 유도하는가?

초전도 현상은 특정한 온도 이하에서 금속이나 합금에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상이다. 이를 설명하는 핵심 요소 중 하나가 바로 격자 진동(Phonon) 이다. 격자 진동은 물질 내에서 원자들이 집단적으로 진동하는 현상으로, 초전도체에서 전자들이 결합하여 쿠퍼쌍(Cooper Pair)을 형성하는 데 중요한 역할을 한다.

4.1. 격자 진동(Phonon)이란?

격자 진동(Phonon)은 고체에서 원자들이 집단적으로 진동하는 현상을 양자역학적으로 기술한 개념이다. 물질 내부에서 원자들은 특정한 결정 구조를 이루며 배열되어 있는데, 열이나 외부의 자극이 가해지면 원자들은 주기적으로 진동하게 된다.

격자 진동은 양자화된 에너지를 가지며, 이는 입자로서의 성질을 갖는 포논(phonon) 으로 설명된다. 포논은 전자와 상호작용할 수 있으며, 초전도 현상에서는 포논이 전자 간의 매개 역할을 하여 쿠퍼쌍 형성을 도와준다.

4.2. 전자와 격자 진동의 상호작용

금속 내부에서 전자는 자유롭게 이동하지만, 이 과정에서 금속을 구성하는 양이온(positive ion) 격자와 영향을 주고받는다. 이때 전자가 움직이면 다음과 같은 과정이 발생한다.

전자가 양이온들 사이를 이동하면, 순간적으로 주변 양이온들을 끌어당긴다.
양이온들이 원래 위치에서 조금씩 변형되면서 국소적으로 양전하 밀도가 증가한다.
다른 전자가 이 국소적인 양전하 영역으로 끌려오면서, 첫 번째 전자와 간접적인 인력을 형성한다.
이 과정이 반복되면서 전자들이 개별적으로 움직이는 것이 아니라, 한 쌍을 이루어 쿠퍼쌍을 형성하게 된다.

이 과정에서 포논(phonon) 이 전자 간의 상호작용을 매개하는 중요한 역할을 하며, 초전도성이 형성되는 근본적인 원인이 된다.

4.3. 쿠퍼쌍 형성과 초전도성

초전도 상태에서는 개별적인 전자가 아닌, 쿠퍼쌍 이라는 두 개의 전자가 결합된 상태로 존재한다. 쿠퍼쌍은 서로 반대 방향의 스핀과 운동량을 가지며, 동일한 양자 상태를 공유한다.

쿠퍼쌍이 형성되면 전자들이 집단적으로 움직이게 되고, 개별적인 전자들이 금속 내의 불순물이나 진동하는 격자에 의해 산란되는 것이 어려워진다. 그 결과, 전기 저항이 0이 되는 초전도 상태 가 형성된다.

격자 진동이 쿠퍼쌍을 형성하는 데 필수적인 요소이므로, 특정한 온도 이하에서만 초전도성이 나타난다. 온도가 너무 높아지면 격자 진동이 너무 강해져 쿠퍼쌍이 깨지며 초전도성이 사라진다.

4.4. 초전도 임계 온도와 격자 진동

초전도체가 초전도성을 유지할 수 있는 최대 온도를 임계 온도(Tc, Critical Temperature) 라고 한다. 임계 온도는 쿠퍼쌍이 안정적으로 유지될 수 있는 온도를 의미하며, 이 값은 물질마다 다르다. 격자 진동이 너무 강해지면 전자가 안정적인 쿠퍼쌍을 형성할 수 없기 때문에, 특정 온도 이상에서는 초전도성이 사라진다. BCS 이론에 따르면 포논과 전자의 상호작용이 강할수록 임계 온도가 높아진다.

5. BCS 이론으로 설명할 수 없는 현상은 무엇일까?

5.1 고온 초전도체(High-Temperature Superconductors)의 발견

BCS 이론이 성공적으로 설명하는 초전도체는 대부분 저온 초전도체(low-temperature superconductors) 로, 이들의 임계 온도(Tc)는 보통 30K(켈빈) 이하에 머물렀다. 하지만 1986년, 베드노르츠(K. Bednorz)와 뮐러(A. Müller)는 구리산화물(Cuprate) 기반의 고온 초전도체 를 발견했으며, 이는 기존 초전도체보다 훨씬 높은 100K 이상의 온도에서도 초전도성을 유지할 수 있었다.

고온 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다.

격자 진동(phonon)이 아닌 다른 메커니즘이 초전도성을 유발하는 것으로 보인다.
전자 간 강한 상관관계(electron correlation)와 자기적 상호작용이 중요한 역할을 한다.
BCS 이론이 예측하는 초전도 임계 온도와 일치하지 않는다.

이러한 점에서 고온 초전도체는 BCS 이론이 설명할 수 없는 새로운 형태의 초전도체로 간주되며, 새로운 이론이 필요하게 되었다.

5.2 비정상적인 초전도 현상

BCS 이론이 적용되지 않는 또 다른 사례로는 비정상적인 초전도 현상(Non-BCS Superconductivity) 이 있다. 예를 들어, 일부 초전도체에서는 초전도 갭(Superconducting Gap)이 BCS 이론에서 예측하는 값과 다르게 나타났으며, 일부는 d-파 대칭(d-wave symmetry) 을 가지는 경우도 발견되었다.

BCS 이론은 대부분의 초전도체가 s-파 대칭(s-wave symmetry) 을 가진다고 예측하지만,
고온 초전도체는 d-파 대칭 을 보이며, 이는 전자 간의 강한 자기적 상호작용과 관련이 있다.

이러한 점은 기존 BCS 이론을 넘어선 새로운 이론의 필요성을 시사한다.

6. 초전도체 연구는 앞으로 어디로 향할까?

BCS 이론의 한계를 극복하기 위해 다양한 새로운 초전도 이론들이 등장하고 있으며, 초전도 연구는 다음과 같은 방향으로 진행되고 있다.

6.1 고온 초전도체 연구

고온 초전도체의 메커니즘을 이해하기 위해 강한 상관계 전자 시스템(Strongly Correlated Electron Systems) 이라는 새로운 이론이 연구되고 있다. 이는 전자들 간의 상호작용이 단순한 쿠퍼쌍 형성을 넘어서서, 보다 복잡한 자기적 및 전자적 요인과 결합되어 있다는 개념이다. 대표적인 모델 중 하나가 레빈슨-안데르슨 모델(Resonating Valence Bond, RVB) 이론 으로, 이는 전자가 단순한 쿠퍼쌍을 이루는 것이 아니라, 강한 전자-전자 상호작용에 의해 새로운 초전도 상태가 형성된다는 가설을 제시한다.

6.2 탑올로지적 초전도체(Topological Superconductors)

최근 들어 탑올로지적 초전도체(Topological Superconductors) 가 주목받고 있다. 이는 기존 초전도체와는 다른 특성을 가지며, 마요라나 페르미온(Majorana Fermions) 같은 입자들이 존재할 가능성이 제기되고 있다. 이러한 새로운 초전도체는 양자 컴퓨터(Quantum Computing) 와 같은 기술에도 응용될 수 있어, 현대 물리학에서 매우 중요한 연구 분야로 떠오르고 있다.

6.3 초고온 초전도체(Ultra-High Temperature Superconductors)

현재 연구자들은 상온 초전도체(Room Temperature Superconductors, RTS) 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다. 2020년에는 수소 기반 초전도체(Hydrogen-Based Superconductors) 가 267K(섭씨 -6도)에서 초전도성을 나타낸다는 연구 결과가 발표되었으나, 이후 데이터 조작 의혹이 제기되면서 해당 논문이 철회되었다. 따라서 이 연구 결과를 신뢰하기 어렵고, 상온 초전도체의 존재 가능성에 대한 추가적인 검증이 필요한 상황이다. 그럼에도 불구하고 고압 환경에서 수소 기반 화합물이 초전도성을 가질 수 있음 은 여전히 유망한 연구 분야로 남아 있다. 현재 초전도 연구자들은 다양한 수소 화합물 및 기타 고온 초전도체 후보 물질을 실험하며 안정적인 초전도 상태를 유지할 수 있는 새로운 물질 탐색 에 집중하고 있다. 그러나 이러한 초전도체는 극한의 압력(extreme pressure) 환경에서만 유지될 수 있어, 실용화를 위해서는 더 많은 연구와 기술적 돌파구가 필요하다.

초전도 현상은 현대 물리학과 공학에서 중요한 연구 주제이며, 이를 설명하는 대표적인 이론이 바로 BCS 이론 이다. 이 이론은 쿠퍼쌍(Cooper Pair) 개념을 바탕으로 초전도 현상이 어떻게 발생하는지를 설명하며, 특히 격자 진동(phonon)이 전자 간의 간접적인 인력을 형성하여 초전도성을 유발한다는 점을 밝혀냈다. BCS 이론은 대부분의 저온 초전도체에서 매우 성공적으로 적용되었으나, 고온 초전도체의 발견 이후 한계를 드러내기 시작했다. 고온 초전도체에서는 격자 진동이 아닌 강한 전자-전자 상관관계가 중요한 역할을 할 가능성이 제기되었으며, 이에 따라 기존 이론을 보완하는 새로운 초전도 이론들이 연구되고 있다. 앞으로의 연구는 BCS 이론을 넘어선 새로운 이론을 정립하고, 실용적인 초전도체 개발을 위한 기술적 돌파구를 찾는 방향으로 나아갈 것이다. 초전도체가 본격적으로 실용화된다면, 이는 전력 전송, 자기부상열차, 양자 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

🔍 핵심 요약

전자들이 격자 진동을 통해 쌍을 이루는 쿠퍼쌍을 형성하면, 집단적으로 움직이며 전기 저항 없이 전류가 흐르는 초전도 상태가 만들어진다.
초전도는 전자들이 양자역학적으로 응집된 상태에서 나타나며, **격자 진동(포논)**이 전자의 결합을 유도하는 핵심 역할을 한다.
고온 초전도체는 BCS 이론만으로 설명되지 않으며, 전자 간 강한 상호작용 등 새로운 이론이 요구된다.

❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1. 초전도 상태에서는 정말 전기 저항이 0인가요?

A1.네, 초전도 상태에서는 전기 저항이 사실상 0이 됩니다. 실제로는 폐회로에 전류를 흘렸을 때 수년이 지나도 전류가 줄지 않는 현상을 통해 확인합니다. 또, 전압을 측정했을 때 0으로 나타나는 실험 결과도 저항이 없다는 뜻입니다. 직접 "0Ω"을 재는 건 어렵지만, 여러 정밀한 실험으로 저항이 없는 상태임이 입증되었습니다.

Q2. BCS 이론이 모든 초전도체를 설명할 수 있나요?

A2. 아닙니다. BCS 이론은 주로 저온 초전도체에 적용되며, 고온 초전도체는 다른 물리적 메커니즘이 작용하는 것으로 보입니다.

Q3. 쿠퍼쌍의 존재는 어떻게 증명되었나요?

A3. 초전도 갭의 측정, 조셉슨 효과 등 다양한 실험이 쿠퍼쌍의 존재를 입증하는 중요한 증거로 사용됩니다.

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