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극저온에서 형성된 리튬원자 구름(페르미 가스)에서 소리 전파 방식 측정.
유체의 내부 마찰이 강하고 점도가 높으면 강한 공명 효과가 거의 없다.
중성자별 내부 물질 소리전달 추정 가능.

이것이 완벽한 유체의 소리입니다.
극저온 원자 구름의 소리를 처음으로 포착했다.

미묘한 진동 :
물리학자들이 마찰이 없는 기체 또는 액체와 같은 완벽한 유체에서 소리가 어떻게 전파되는지 처음으로 기록했다. 측정 결과 유체의 기본 특성에 대한 정보를 제공하는 미묘한 음향 공명이 나타난다. 이것으로 중성자별의 핵에서 또는 빅뱅 직후에 물질의 행동에 대해 추론할 수 있다. 연구자들이 전문 저널 "Science"에 보고한 내용이다. 

▲ 처음으로 연구자들은 마찰이 없는 양자 가스인 완벽한 유체가 소리를 어떻게 전달하는지 조사했다. © Christine Daniloff / MIT

특정 조건에서 유체(가스 및 액체)는 모든 내부 마찰을 잃는다. 이를 통해 위쪽으로 흐르고, 매우 빠른 소용돌이를 형성하고 가장 작은 틈새를 관통할 수 있다. 그러나 완벽한 초유체는 극한 조건에서만 발생한다.
예를 들어 빅뱅 직후 쿼크-글루온-플라즈마(Quark-Gluon-Plasma)에서, 압축된 핵 또는 극도로 냉각된 양자 가스에서.

그러나 지금까지 이러한 완벽한 유체에서 소리가 어떻게 전파되는지는 명확하지 않았다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 파스 파텔(Parth Patel)은 "온도에 따라 물질에서 소리가 전파되는 방식은 물질의 많은 특징을 나타낸다"고 설명한다. "그러나 중성자별의 소리를 듣는 것은 상당히 어려울 것이다."

초저온 원자 구름에서 노크 테스트

완벽한 유체는 실험실에서 재현할 수 있다.
실험을 위해 연구진은 동위 원소 리튬-6의 원자를 절대 영도 바로 위까지 냉각시켰다.
이 상태에서 원자 구름은 원자가 서로 거의 상호 작용하지 않는 가스인 소위 페르미 가스가 된다. 그들은 이 가스를 레이저 빔으로 만든 원통형 케이지에 넣었다.

소리의 전파를 조사하기 위해 물리학자들은 실린더의 한쪽 끝단에서 특정 주파수의 진동을 생성하고 실린더의 다른 쪽 끝까지 도달한 가스의 밀도 변동을 측정했다.
MIT의 수석 저자 마틴 츠비어라인(Martin Zwierlein)은 “원칙적으로 우리는 한쪽을 두드리고 다른 쪽에 귀를 댔다”고 말했다. 그와 그의 팀은 천천히 증가하는 빈도로 이러한 테스트를 수천 번 반복했다.

 

공명은 점도를 나타낸다.

Zwierlein은 “이는 ​​함께 초음파를 생성한다”고 말했다.
유체 통과 후 포착된 음파가 가청 소리로 변환되면 페르미 가스의 일종의 가청 지문이 생성된다. 음량의 변동은 원자 구름에서 공명이 발생하는 주파수를 나타내며, 이는 차례로 유체의 점도에 대한 정보를 알려 준다.

"유체의 점도가 낮은 경우 이러한 공명은 올바른 주파수에서 강한 음파를 생성하고 매우 커질 수 있다"고 Zwierlein은 설명한다. 이러한 공명은 초유체, 저마찰 매질을 나타낸다. 반면에 유체의 내부 마찰이 강하고 점도가 높으면 강한 공명 효과가 거의 없다.

초저온 리튬 가스의 경우, 유체가 전송하는 소리에서 명확하게 들을 수 있는 강한 공명 효과를 나타냈다. 연구자들에 따르면 그들의 강도와 전파 속도는 이 페르미 가스가 완벽한 유체처럼 행동한다는 것을 확인시켜준다. 이 매질의 소리 전파는 플랑크 상수와 원자의 질량에만 의존한다. 따라서 양자 역학에 따라 가능한 경계 아래에 있다.

이 실험에서 연구원들은 처음으로 완벽한 유체에서 소리의 전파를 측정했다.
“이 결과는 페르미온 수송 이론에 중요한 정보를 제공하며 전자, 중성자 및 쿼크의 흐름에 중요하다.”라고 과학자들은 말했다. 중성자별 내부에서 신비스러운 물질이 생성하는 소리를 예측하는 데에도 사용할 수 있다. 페르미 가스와 매우 유사하다.
(Science, 2020; doi : 10.1126 / science.aaz5756)

출처 : Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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