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- 새로운 마이크로파 냉각 기술로 분자를 처음으로 21나노켈빈까지 냉각
- 분자가 회전하는 마이크로파 장에 노출되어 충돌하는 새로 개발된 냉각 기술
- 초유체, 초고체와 같은 물질의 이국적인 상태를 열 뿐만 아니라 양자 기술에서도 유용

극성 분자에 대한 저온 기록
새로운 마이크로파 냉각 기술로 분자를 처음으로 21나노켈빈까지 냉각

과학자들이 새로운 저온 기록을 세웠다.
처음으로 극성 분자로 구성된 가스를 절대 영도보다 수십억분의 1도 높은 21나노켈빈으로 냉각했다. 이것이 가능한 것은 분자가 회전하는 마이크로파 장에 노출되어 충돌하는 새로 개발된 냉각 기술 덕분이다. 분자는 에너지를 잃고 식는다. 이 방법은 팀이 Nature에 보고한 바와 같이 이국적인 물질 상태를 생성하고 탐색할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 새로운 마이크로파 "냉장고"는 처음으로 극성 분자를 몇 나노켈빈까지 냉각할 수 있다. © Christoph Hohmann, MCQST/MPQ

절대 영도에 가까워지면 물질은 비정상적인 방식으로 행동하기 시작하고 새롭고 이국적인 상태를 가정한다. 원자는 보스-아인슈타인 응축물이 되어 단일 거대 원자처럼 행동한다. 또는 물질이 초유체이면서 동시에 결정과 같은 초고체로 변형된다. 가벼운 입자조차도 극저온 조건에서 새로운 상태를 갖게 된다.

극성 분자의 문제

과학자들은 일반적으로 재료를 필요한 낮은 온도로 냉각시키기 위해 레이저 냉각을 사용한다. 레이저는 입자의 움직임을 매우 느리게 해 거의 정지 상태로 만든다. 물리적으로 이 낮은 에너지 상태는 극한의 추위에 해당한다. 그러나 한 가지 유형의 입자인 극성 분자는 기존 방법을 사용하여 극저온 영역으로 가져오기가 어렵다.

이 분자는 원자보다 복잡한 구조를 가지고 있으며, 또한 전하 분포가 고르지 않아 상호 작용에 큰 영향을 미친다. 이것은 그들의 움직임을 통제하기 어렵게 만든다. 독일 남부 가싱에 소재한 Max Planck Institute for Quantum Optics(MPQ)의 제1저자인 안드레아스 쉰데볼프(Andreas Schindewolf)는 "그들은 작은 자석처럼 행동하고 함께 덩어리질 수 있다“라고 설명했다.

충돌에 의한 냉각

Schindewolf와 그의 동료들은 이제 이러한 문제를 우회하는 냉각 기술을 개발했다. 기본은 원자 냉각에 대해 입증된 프로세스인 증발 냉각이다. 예를 들어 분자는 교류 전기장에 의해 서로 충돌하도록 만들어진다. 그렇게 함으로써, 그들은 운동 에너지의 일부를 교환한다. 이상적으로는 한 파트너가 많은 에너지를 흡수하여 버려지고 다른 파트너는 에너지가 덜 남아서 냉각된다.

문제는 소위 탄성 충돌만이 증발 냉각에서 냉각 효과가 있다는 것이다. 그러나 극성 분자는 주로 비탄성 방식으로 증발 냉각에서 충돌하고 "뭉치는" 경향이 있다. 이는 냉각 효과를 크게 약화시킨다.

▲ 전자 레인지 "냉장고"의 주요 진공 챔버에 대한 통찰력. © 막스 플랑크 양자 광학 연구소

안정제로 회전하는 마이크로파

이를 피하기 위해 연구원들은 새로운 마이크로파 냉각 기술에 추가 안정제를 사용해 분자 가스에서 원치 않는 충돌을 방지했다. 회전하는 마이크로파 장은 분자에 대한 에너지 보호막 역할을 하여 분자를 회전시킨다는 것이 비결이다. 이를 통해 충돌 시 운동 에너지를 교환할 수 있지만 서로 반발하며 서로 달라붙거나 뭉칠 수 없다.

실험에서 물리학자들은 레이저 광을 사용해 광학 트랩에 갇혀 있는 나트륨-칼륨 분자(NaK)로 만든 가스로 프로세스를 테스트하고 있다. 이 분자 트랩 아래에서 나선형 안테나가 회전하는 원형 편광 마이크로파 필드를 생성했다. 이것은 양자 가스에서 탄성 쌍극자 충돌을 촉진하지만 3차원 모두에서 비탄성 충돌을 억제한다고 팀은 보고했다.

21나노켈빈 – 새로운 기록

"분자가 맞물리는 속도가 10배 이상 감소했다"라고 MPQ의 신-유 루오(Xin-Yu Luo)가 보고했다. "결과적으로 그들은 회전하는 마이크로파 필드가 없을 때보다 훨씬 더 자주 충돌했다. 분자당 평균 약 500번이다. 증발 효과를 사용해 가스를 거의 절대 0도까지 냉각시키기에 충분했다.”

구체적으로 말하면, 팀은 극성 분자에서 가스를 약 21나노켈빈으로 냉각하는 데 성공했다. 이는 절대 영도보다 210억 분의 1도 높은 온도다. 극성 분자에 대한 새로운 기록이다. 더 중요한 것은 분자가 임계 "페르미 온도"보다 훨씬 낮게 냉각되었다는 것이다. 그것은 양자 효과가 기체의 거동을 결정하는 한계를 표시하며, 신비한 상태와 현상이 발생한다.

▲ 새로운 냉각 기술은 현재 "네이처"호의 표지에 등장 했다. © nature

"흥미로운 시간의 시작“

과학자들에 따르면, 그들의 냉각 기술은 극성 분자에서도 양자 효과를 연구할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어준다. "극저온 극성 분자 분야는 흥미로운 시기의 시작에 있다"라고 Schindewolf와 그의 동료들은 말했다. 마이크로파 장을 사용한 냉각은 초유체 또는 초고체와 같은 물질의 이국적인 상태를 열 뿐만 아니라 양자 기술에서도 유용할 수 있다.

공저자인 MPQ의 임마뉴엘 블로흐(Immanuel Bloch)는 "새로운 냉각 기술은 매우 간단해 극저온 극성 분자를 사용하는 대부분의 실험 설정에도 통합될 수 있기 때문에 이 방법은 곧 광범위한 적용을 발견하고 많은 새로운 발견에 기여할 것"이라고 말했다. 연구원들은 실험 설정에 대한 기술적 개선을 통해 훨씬 더 낮은 온도에 도달할 수 있을 것이라고 확신한다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04900-0)
출처: 막스 플랑크 양자 광학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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