초고체에 새로운 의미를 부여한 물리학자들의 실험

최근 물리학자들은 물질의 이상한 새로운 단계에 추가 차원을 부여했습니다. 이들의 주장에 따르면 초고체의 원자는 에너지를 잃지 않고 움직일 수 있습니다. 물리학자들은 최초의 2차원 초고체를 만들었습니다. 이는 고체와 마찰이 없는 액체처럼 동시에 행동하는 기이한 물질 단계입니다. 원자가 규칙적이고 반복적인 결정 구조로 배열되어 있는 초고체는 그러면서도 운동 에너지를 잃지 않고 영원히 흐를 수 있는 물질입니다. 이러한 기이한 특성 때문에 이들은 우리에게 알려진 많은 물리학 법칙을 위반하는 것처럼 보입니다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 오랫동안 이를 이론적으로 예측해 왔습니다. 이는 1957년 초 물리학자 유진 그로스의 연구에서 처음으로 등장했습니다. 오늘날 물리학자들은 레이저와 초저온 가스를 사용해 마침내 초고체를 2D 구조로 만들었습니다. 이러한 성과는 과학자들이 기묘한 물질 단계의 신비한 특성 뒤에 있는 더 깊은 물리학을 깨뜨릴 수 있는 발전을 가능하도록 합니다.

 

연구원들은 특히 2D 초고체들이 원 안에서 회전할 때 내부에 나타나는 작은 소용돌이와 함께 어떻게 행동할 것인지에 대해 흥미를 품었습니다. 인스브루크 대학 양자 연구소의 물리학자이자 수석 저자인 매튜 노르시아는 "1차원보다 2차원 시스템 내에서 훨씬 더 쉽게 존재할 수 있는 소용돌이와 회전 진동을 연구함으로써 우리는 많은 것을 배울 수 있을 것"이라며 기대감을 드러냈습니다. 연구원들은 초고체를 생성하기 위해 레이저 냉각이라는 기술을 사용했습니다. 원자를 0켈빈(화씨 영하 459.67도 또는 섭씨 영하 273.15도) 바로 위까지 냉각시키기 전에 이들은 광학 핀셋 내부에 디스프로슘 -164 원자구름을 매달았습니다. 가스에 레이저를 발사할 때 일반적으로 가스는 가열되지만, 레이저 빔의 광자(빛 입자)가 움직이는 가스 입자의 반대 방향으로 이동하는 경우에는 실제로 가스 입자가 느려지고 냉각될 수 있습니다. 레이저로 디스프로슘 원자를 최대한 냉각시킨 과학자들은 이후 광학 핀셋의 잡는 부분을 느슨하게 하여 가장 활동적인 원자가 탈출할 수 있는 충분한 공간을 만들었습니다.

 

따뜻한 입자는 차가운 입자보다 더 빠르게 흔들리기 때문에 이 기술은 증발 냉각이라고 불립니다. 연구원들이 해당 기술을 사용하자 결국에는 과냉각된 원자만 남게 되었고 이 원자들은 물질의 새로운 단계, 즉 보스-아인슈타인 응축으로 변형됐습니다. 쉽게 말해 이것은 머리카락 한 가닥의 절대 영도 범위까지 과냉각된 원자들의 집합체입니다. 가스가 거의 영하 온도로 냉각되면 모든 원자는 에너지를 잃고 동일한 에너지 상태로 돌입합니다. 이때에는 에너지 수준을 살펴봄으로써 가스 구름에 있는 동일한 원자들만 구별할 수 있습니다. 때문에 이러한 균등화는 심오한 효과를 가집니다. 진동하고, 흔들리고, 충돌하는 원자로 구성된 구름은 더 따뜻한 가스를 만들고, 한때 서로 달랐지만 양자역학적 관점에서는 완벽하게 동일합니다.

 

이것은 정말 이상한 양자 효과의 문을 열었습니다. 양자 행동의 주요 규칙 중 하나인 하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량을 절대적인 정확도로 알 수 없다고 말합니다. 그러나 보스-아인슈타인 응축 원자는 더 이상 움직이지 않으므로 모든 운동량을 알 수 있습니다. 이로 인해 원자의 위치는 너무나도 불확실해지고, 결국 그들이 차지할 수 있는 장소는 원자 자체 사이의 공간보다 면적이 더 커지게 됩니다. 개별 원자 대신 퍼진 보스-아인슈타인 응축 공에 겹쳐진 원자는 마치 하나의 거대한 입자인 것처럼 작용합니다. 이것은 일부 보스-아인슈타인 응축 물질에 초유체 특성을 부여해 입자가 마찰 없이 흐를 수 있도록 합니다. 연구에 참여한 한 구성원은 "실제로 초유체 보스-아인슈타인 응축 머그컵을 휘젓는다면 소용돌이치는 것이 결코 멈추지 않을 것"이라고 설명을 더했습니다.

 

연구자들은 디스프로슘-164(디스프로슘의 동위원소)를 사용했습니다. 그 이유는 디스프로슘-164가 주기율표의 이웃인 홀뮴과 함께, 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. 노르시아와 동료들은 원자들 사이의 장거리 자기 상호 작용과 단거리 접촉 상호 작용 사이의 균형을 주의 깊게 조정했습니다. 노르시아는 "우리는 자유롭게 흐르는 원자를 포함하는 긴 1차원 물방울 튜브를 만들 수 있었다"라고 보고했습니다. 1D에서 2D 초고체로 도약하기 위해 팀은 더 큰 트랩을 사용하고 두 방향에 걸쳐 광학 핀셋 빔의 강도를 낮췄습니다. 이것은 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. 이 같은 창조 작업을 뒤로하고 물리학자들은 이제 2D 초고체를 사용해 이 추가 차원에서 나타나는 모든 특성을 연구하고자 합니다. 과학자들은 배열의 물방울 사이에 나타나서 갇히는 소용돌이를 연구할 계획이며 한 연구원은 "소용돌이치는 원자는 적어도 이론적으로는 영원히 나선형을 이룰 수 있다"라고 덧붙였습니다. 아울러 이 실험은 연구자들이 초기 제안에 의해 구상된 벌크, 3D, 초고체를 비롯해 그들이 이해할 수 있는 훨씬 더 많은 외계 특성에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있게 해준다는 데 그 의의가 있습니다.