고체인데 액체처럼 흐르는 이상한 상태 '초고체'를 '이차원화'하는 데 성공

우리가 인식하는 세계의 물질에는 '고체', '액체', '가스'라는 3가지 상태가 존재한다는 것이 상식이지만, 극저온에 고압이라는 특수한 환경에서는 고체이면서 액체같이 운동하는 '초고체'라는 상태가 존재하는 것으로 확인되었습니다. 이 초고체 상태에 오스트리아과학아카데미 양자광학 · 양자정보연구소의 연구팀이 새롭게 초고체 상태를 이차원화하는 데 성공했다고 보고했습니다.

Supersolids go two-dimensional
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02191-5

Supersolid in a new dimension - Institute for Quantum Optics and Quantum Information - Austrian Academy of Sciences
https://iqoqi.at/en/current/news/795-supersolid-in-a-new-dimension

Physicists give weird new phase of matter an extra dimension | Live Science
https://www.livescience.com/first-2d-supersolid.html

Physicists give weird new phase of matter an extra dimension

물질은 온도나 압력으로 인해 상전이를 일으키는데, 예를 들어 액체인 물은 0도를 경계로 고체에서 액체로, 100도를 경계로 액체에서 기체로 전이합니다. 이러한 상전이에 대해 헬륨4를 절대영도 부근까지 냉각하면 헬륨원자의 집합이 파동적 운동을 보이게 되고, 고체임에도 불구하고 유체에서만 나타나는 것으로 생각되었던 '초유체'라는 성질을 발현하는 것으로 확인되었습니다.

이번에 새롭게 오스트리아과학아카데미 양자광학 · 양자정보연구소의 Francesca Ferlaino 교수팀이 달성한 것은 이 초고체의 '이차원화'입니다. 2017년에 취리히공과대학의 연구팀과 매사추세츠공과대학의 연구팀이 각각 '극저온 양자기체를 이용하여 초고체를 달성했다'고 보도되었지만, 이 두 팀의 실험에 의해 생성된 초고체는 각각의 원자로 형성된 방울이 일렬로 늘어선 '일차원적'인 것이었습니다.

이번 실험에서 Ferlaino 교수는 광학핀셋에 매달린 디스프로슘164의 집합을 레이저 냉각으로 절대영도 근처까지 냉각시킨 후 광학핀셋을 약간 풀어 가장 에너지가 높은 원자가 유동 가능한 공간을 만든다는 수법으로 여러 뱨열의 초고체 상태를 만들어 초고체의 이차원화를 달성했습니다.

지금까지의 일차원 초고체는 '실제로 초고체 상태인지 여부를 판정이 곤란하다'는 문제점이 존재했습니다. 그러나 이차원의 초고체는 일차원 상태에서는 불가능했던 '계 전체를 비틀어 고체가 갖지 않는 관성모멘트를 가지고 있는지 여부를 조사한다'는 판정방식을 채택할 수 있어 초고체 관련 연구를 비약적으로 발전시킬 것으로 기대되고 있습니다.