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- 막스 플랑크는 1900년에 이미 물체가 얼마나 많은 열을 복사하고 전달하는지 공식화 했다.
- 나노미터 거리에서의 열 전달은 물리적으로 설명 가능한 것보다 100배 더 크다.
- 이 한계가 10㎛(마이크로미터) 미만의 거리에서는 더 적용되지 않아
- 아직 이 특이 현상에 관한 물리적 설명은 없다.

나노 스케일에서의 열 과잉의 미스터리
나노미터 거리에서의 열 전달은 물리적으로 설명 가능한 것보다 100배 더 크다.

(아직 물리적으로 설명할 수 없는) 물리학자들은 나노 스케일에서 예상치 못한 열 과잉 현상에 의아해하고 있다. 원자 간 거리가 18nm(나노미터) 미만일 때, 측정 결과 이론적으로 예측된 ​​것보다 100배 더 많은 열을 교환한다는 사실이 밝혀졌다. 현재 이 현상에 대한 물리적 설명은 없다. 또한 이처럼 매우 가까운 장에서 일반적인 열 흐름 한계가 더 적용되지 않는 이유도 알 수 없다. 

▲ 이 근거리 주사 열 현미경을 통해 물리학자들은 18나노미터 미만의 거리에서 예상치 못하게 높은 열 전달을 측정했다. 현재까지 이에 대한 물리적 설명은 없다. © Universität Oldenburg / Matthias Knust

막스 플랑크는 1900년에 이미 물체가 얼마나 많은 열을 복사하고 전달하는지 정확하게 밝혔다. 그의 복사 법칙은 물체가 열로 복사할 수 있는 최대 에너지량을 설명한다. 그러나 이제 우리는 이 한계가 10㎛(마이크로미터) 미만의 거리에서는 더 적용되지 않는다는 것을 알고 있다. 한 물체에서 다른 물체로의 열 흐름은 플랑크 법칙으로 예측된 ​​값을 1천 배 초과할 수 있다. 이 현상은 실험적, 이론적으로 잘 설명된다.

미스터리한 과잉

그러나 수 나노미터 거리의 극한 근접장에서는 상황이 다르다. 2017년 실험에서 열전달이 다시 한번 급격히 증가했으며, 이는 현재 이론에서 예측하는 수준을 넘어섰다. 이러한 측정과 다른 측정들이 정확한지, 그리고 이 나노 스케일에서의 열 교환이 실제로 이론에 위배되는지에 대해서는 지금까지 논란이 있었다.

올덴부르크 대학교의 프리돌린 게스만(Fridolin Geesmann)이 이끄는 연구진은 새로운 실험을 통해 측정 결과를 검증했다. 그들은 먼저 기상 증착과 반복적인 세척 및 평활화를 통해 특히 평탄한 금 표면을 만들었다. 그런 다음 이 표면을 진공 상태에서 영하 123°C로 냉각했다. 열전달을 측정하기 위해 물리학자들은 올덴부르크 대학교에서 개발된 근접장 주사 열 현미경을 사용했다.

▲ 측정을 위해 물리학자들은 금으로 코팅된 구를 측정 팁으로 사용하는 근거리 주사 열 현미경을 사용다. © Geesmann et al./ Physical Review Letters, CC-by 4.0

실험을 통해 설명할 수 없을 정도로 높은 열전달 확인

측정 과정에서 얇은 금으로 된 날카로운 탐침이 표면 위를 움직인다. 이 침은 거리와 그에 따른 터널링 전류를 사용해 차가운 금 표면과 따뜻한 금 탐침 사이의 열전달을 측정한다. 이번 실험에서 물리학자들은 미세한 침 대신 금으로 코팅된 구를 측정 프로브로 사용했다. 이는 공간 분해능을 감소시켰지만, 연구진이 설명하듯 열 측정의 정확도를 높였다.

실험 결과, 약 18nm 거리까지는 측정값이 이론과 완벽하게 일치했다. 그러나 더 작은 거리에서는 이러한 일치가 더 적용되지 않았다. 18나노미터 미만에서 물리학자들은 예상보다 100배 더 높은 열전달을 측정했다. Geesmann과 그의 동료들은 "표면과 측정 프로브를 아르곤 이온으로 세척한 후에도 이러한 강력한 열 흐름은 지속됐다"고 강조했다. 

▲ 측정 결과: 단거리 열전달에 대한 측정값(검은색)은 이론적으로 예상되는 값(빨간색)보다 상당히 높다. © Geesmann et al./ Physical Review Letters, CC-by 4.0

아직 물리적 설명은 없다.
연구진에 따르면, 이는 이전 측정 결과를 확인시켜 주며 측정 오류를 대부분 배제한다. 오히려 이는 아직 알려지지 않은 물리적 효과일 가능성이 있다. 이는 나노 스케일에서의 열전달이 예상보다 더 크다는 것을 의미한다. "우리의 결과와 이전 실험 결과는 기존의 포논 또는 전자 터널링 모델로는 정량적으로 설명할 수 없는 극근거리장 영역에서의 열전달을 보여준다"고 물리학자들은 말했다. 이 예상치 못한 효과에 대한 설명을 찾기 위해서는 추가적인 실험과 이론적 연구가 필요하다.

참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/lcz1-f5v9
출처: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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