물리학자들은 초고체 물질의 새로운 단계에 한 걸음 더 가까이 다가가게 한다

초고체의 원자는 에너지를 잃지 않고 움직일 수 있습니다. 물리학자들이 최초의 2차원 초고체(고체와 마찰 없는 액체처럼 동시에 행동하는 기이한 물질 단계)를 만들었습니다. 초고체는 원자가 규칙적이고 반복적인 결정 구조로 배열되어 있으면서도 운동 에너지를 잃지 않고 영원히 흐를 수 있는 물질입니다. 알려진 많은 물리학 법칙을 위반하는 것처럼 보이는 이들의 기이한 특성에도 불구하고 물리학자들은 오랫동안 이를 이론적으로 예측해 왔습니다. 이는 1957년 초 물리학자 유진 그로스의 연구에서 처음 제안으로 나타났습니다.

 

이제 물리학자들은 레이저와 초저온 가스를 사용하여 마침내 초고체를 2D 구조로 만들었습니다. 이는 과학자들이 기묘한 물질 단계의 신비한 특성 뒤에 있는 더 깊은 물리학을 깨뜨릴 수 있는 발전을 가능하게 합니다. 연구원들이 특히 관심을 갖는 것은 2D 초고체들이 원 안에서 회전할 때 내부에 나타나는 "작은 소용돌이 또는 소용돌이와 함께 어떻게 행동할 것인가"에 대한 것입니다.

 

인스브루크 대학 양자 연구소의 물리학자이자 수석 저자인 매튜 노르시는 "예를 들어 회전 진동과 1차원보다 2차원 시스템 내에서 훨씬 더 쉽게 존재할 수 있는 소용돌이를 연구함으로써 많은 것을 배울 수 있을 것으로 기대한다"라고 말했습니다. 오스트리아의 광학 및 양자 정보는 이메일을 통해 과학 학술지에 말했습니다.

 

초고체를 생성하기 위해 연구팀은 레이저 냉각이라는 기술을 사용하여 원자를 0켈빈(화씨 영하 459.67도 또는 섭씨 영하 273.15도) 바로 위까지 냉각시키기 전에 광학 핀셋 내부에 디스프로슘-164 원자구름을 매달았습니다. 가스에 레이저를 발사하면 일반적으로 가스가 가열되지만 레이저 빔의 광자(빛 입자)가 움직이는 가스 입자의 반대 방향으로 이동하는 경우 실제로 가스 입자가 느려지고 냉각될 수 있습니다. 레이저로 디스프로슘 원자를 최대한 냉각시킨 후, 연구자들은 광학 핀셋의 잡는 부분을 느슨하게 하여 가장 활동적인 원자가 탈출할 수 있는 충분한 공간을 만들었습니다.

 

따뜻한 입자는 차가운 입자보다 더 빠르게 흔들리기 때문에 증발 냉각이라고 불리는 이 기술을 사용하면 연구원들은 과냉각된 원자만 남게 되었습니다. 그리고 이 원자들은 물질의 새로운 단계, 즉 보스-아인슈타인 응축물로 변형되었습니다. 즉, 머리카락 한 가닥의 절대 영도 범위까지 과냉각된 원자들의 집합체입니다. 가스가 거의 영하의 온도로 냉각되면 모든 원자가 에너지를 잃어 동일한 에너지 상태로 들어갑니다. 에너지 수준을 살펴봄으로써 가스 구름에 있는 동일한 원자들만 구별할 수 있기 때문에 이러한 균등화는 심오한 효과를 갖습니다. 한때 서로 달랐던 진동하고, 흔들리고, 충돌하는 원자로 구성된 구름은 더 따뜻한 가스를 구성하고, 양자역학적 관점은 완벽하게 동일합니다.

 

이것은 정말 이상한 양자 효과의 문을 열어줍니다. 양자 행동의 주요 규칙 중 하나인 하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량을 절대적인 정확도로 알 수 없다고 말합니다. 그러나 이제 보스-아인슈타인 응축물 원자는 더 이상 움직이지 않으므로 모든 운동량을 알 수 있습니다. 이로 인해 원자의 위치가 너무 불확실해져서 그들이 차지할 수 있는 장소가 원자 자체 사이의 공간보다 면적이 더 커지게 됩니다. 그러면 개별 원자 대신 퍼지 보스-아인슈타인 응축수 공에 겹쳐진 원자가 마치 하나의 거대한 입자인 것처럼 작용합니다.

 

이는 일부 보스-아인슈타인 응축물에 초유체 특성을 부여하여 입자가 마찰 없이 흐를 수 있도록 합니다. 사실, 초유체 보스-아인슈타인 응축수 머그컵을 휘젓는다면 소용돌이치는 것이 절대 멈추지 않을 것입니다. 연구자들은 디스프로슘-164(디스프로슘의 동위원소)를 사용했는데, 그 이유는 디스프로슘-164(주기율표의 이웃인 홀뮴과 함께)가 발견된 원소 중에서 가장 자성을 띠기 때문입니다. 이는 디스프로슘-164 원자가 과냉각되었을 때 초유체가 되는 것 외에도 서로 뭉쳐서 작은 막대자석처럼 서로 달라붙는다는 것을 의미합니다.

 

노르차는 원자들 사이의 장거리 자기 상호 작용과 단거리 접촉 상호 작용 사이의 균형을 주의 깊게 조정함으로써 연구팀은 자유롭게 흐르는 원자를 포함하는 긴 1차원 물방울 튜브(1D 초고체)를 만들 수 있었다고 말했습니다. 그것이 그들의 이전 작업이었습니다. 1D에서 2D 초고체로 도약하기 위해 연구팀은 더 큰 트랩을 사용하고 두 방향에 걸쳐 광학 핀셋 빔의 강도를 낮췄습니다.

 

이는 충분히 높은 밀도를 유지하기 위해 트랩에 충분한 원자를 유지하는 동시에 마침내 두 개의 오프셋 1D 튜브가 서로 옆에 있는 2D 초고체와 유사한 지그재그 구조의 물방울을 생성할 수 있게 했습니다. 그 창조 작업을 뒤로하고 물리학자들은 이제 2D 초고체를 사용하여 이 추가 차원에서 나타나는 모든 특성을 연구하기를 원합니다.

 

예를 들어, 그들은 배열의 물방울 사이에 나타나서 갇히는 소용돌이를 연구할 계획입니다. 특히 소용돌이치는 원자의 소용돌이는 적어도 이론적으로는 영원히 나선형을 이룰 수 있습니다. 이는 또한 연구자들이 그로스와 같은 초기 제안에 의해 구상된 벌크, 3D, 초고체 및 그들이 가질 수 있는 훨씬 더 많은 외계 특성에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있게 해줍니다.