독일의 연구팀이 2021년 8월에 절대영도인 -273.15℃에 매우 가까운 '38피코켈빈(1조분의 38)'까지 물질을 냉각하는 실험에 성공했다고 발표했습니다. 이 온도는 지금까지 연구자들이 실험실에서 만들어 낸 어떤 저온상태보다 낮아 연구팀은 '우주에서 가장 추운 영역 중 하나'라고 부르고 있습니다.
Phys. Rev. Lett. 127, 100401 (2021) - Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.100401
Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics
An innovative matter-wave lens exploiting atomic interactions is able to slow the expansion of a Bose-Einstein condensate in three dimensions, thus reaching unprecedented ultralow temperatures.
journals.aps.org
Physics - 3D Collimation of Matter Waves
https://physics.aps.org/articles/v14/119
3D Collimation of Matter Waves
An innovative matter-wave lens exploiting atomic interactions is able to slow the expansion of a Bose-Einstein condensate in three dimensions, thus reaching unprecedented ultralow temperatures.
physics.aps.org
ZARM: Extremely long and incredibly cold
https://www.zarm.uni-bremen.de/en/press/single-view/article/extremely-long-and-incredibly-cold.html
절대영도는 열역학적으로는 '원자의 움직임이 전혀 없는 상태'라고 표현되는 물질이 가장 차가워지는 온도입니다. 이 절대영도에 가까운 상태가 되면 물질은 지금까지 보여주지 않았던 다양한 성질을 보이게 되는데, 그 중에서도 단연 손꼽히는 기묘한 현상이 보스 · 아인슈타인 응축입니다.
이 보스 · 아인슈타인 응축은 '기체 · 액체 · 고체 플라즈마'에 이은 '제5의 물질상태'라고 불리고 있으며, 물질이 파동과 같은 성질을 보여 원자의 모임 전체가 하나의 큰 원자처럼 운동하기 때문에 입자의 구조 등 물질의 본질에 육박하는 연구를 하는 물리학자에게는 매력적인 연구테마입니다.
보스 · 아인슈타인 응축에 관련된 연구를 하는 과학자들은 물질을 최대한 냉각시키는 실험을 반복해왔습니다만, 지구중력의 영향으로 원자가 움직여버려 원자가 멈춘 상태, 즉 절대영도에 가까운 상태를 좀처럼 만들어 낼 수 없다는 과제를 안고 있었습니다.
그래서 독일 · 라이프니츠대학, 하노버대학, 브레멘대학 응용우주기술 · 미소중력센터의 연구팀은 'Fallturm Bremen(브레멘 낙하타워)'라는 시설 내부에서 실험설비를 자유낙하시켜 물질을 냉각하는 실험을 실시했습니다. 연구팀은 먼저 진공상태로 용기에 10만 개의 루비듐 원자가스를 넣어 자석으로 가둔 다음 2나노켈빈(10억분의 2도)까지 온도를 낮추어 보스 · 아인슈타인 응축 현상을 발생시켰습니다.
그리고 실험설비를 120미터 높이에서 자유낙하시켜 무중력 상태로 만들면서 동시에 진공용기 속에서 자기의 온/오프를 전환했습니다. 자기장이 없어지면 가스는 팽창하고 자기장 있으며 가스는 다시 수축합니다. 이를 빠르게 반복하면 가스가 운동이 멈추게 되어 온도를 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것.
이 실험의 결과, 연구팀은 가스의 온도를 38 피코켈빈까지 낮추는 데 성공했습니다. 이 온도는 자연상태의 우주공간에서 가장 저온이라고 알려진 부메랑성운의 평균 온도보다 낮고, 지금까지 실험실에서 달성된 어떤 저온상태의 기록보다 낮은 온도입니다. 이에 연구팀은 "우주에서 가장 추운 영역을 만들어 냈다"고 표현합니다.
또 이번 실험은 거의 절대영도에 가까운 상태가 2초간 유지된 것으로도 주목을 받고 있습니다. 연구팀이 수행한 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 이번에 사용된 '물질파 렌즈'라는 기술을 적용하면 이론적으로는 최대 17초 동안 초저온상태를 유지하는 것도 가능하다고 주장합니다.
연구팀은 물질이 파동처럼 운동하는 보스 · 아인슈타인 응축에 대한 지속적 연구로 원자의 회전이나 운동원자에 작용하는 중력의 미세한 변화를 측정하는 매우 정밀한 측정기를 개발하고 물리학의 기초이론에 관한 연구를 더욱 발전시킬 수 있다고 기대합니다.
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