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- 초저온 원자는 초유체에서 초고체로 놀라운 변화
- 일상적인 인식과 모순되는 놀라운 행동은 강한 자성 디스프로슘 원자의 쌍극자-쌍극자 상호 작용의 이방성 특성에서 비롯

역설: 열을 가하면 양자 유체가 고체가 된다.
초저온 원자는 초유체에서 초고체로 놀라운 변화를 보여준다.

초저온 디스프로슘(Dysprosium) 원자가 기존의 물리학 법칙을 뒤집고 있다. 이 양자 유체는 가열될 때 기체가 되지 않고 고체가 되기 때문에 연구원들이 발견한 것처럼 이국적인 초고체로 변한다. 이 현상은 정상적인 상전이를 역전시키고 물리 법칙에 모순되는 것처럼 보인다. 그러나 면밀한 분석을 통해 이것이 가능하고 허용되는 이유가 밝혀졌다. 

거꾸로 된 세계: 양자 액체가 가열되면 결정 구조가 형성될 수 있다. © Aarhus University

물질의 상태는 일상적인 현상이다. 온도와 압력에 따라 물질은 고체, 액체, 기체 또는 플라즈마이다. 에너지의 공급은 처음에는 결정 구조가 될 때까지 입자 운동을 강화하고, 그 다음에는 느슨한 결합이 무너지고 마침내 원자조차 전자껍질을 잃는다. 그러나 훨씬 더 이국적인 상태를 생성하는 조건과 재료가 있다. 여기에는 거의 마찰이 없는 초유체 또는 초저온 원자에서 발생하는 Bose-Einstein 응축수가 포함된다.

고체와 액체를 동시에

2019년에야 발견된 또 다른 특이한 물질 상태는 초고체이다. 여기서 초저온 원자는 결정격자를 형성하지만 동시에 초유체 특성을 보인다. 이 초고체 상태는 일반적으로 원자구름이 특정 모양으로 형성되고 거의 절대 영도까지 냉각될 때 발생하는 것으로 여겨진다. 그런 다음 초고체는 Bose-Einstein 응축물의 일종의 특수한 경우로 발생한다.

오르후스 대학의 후안 산체스-바에나와 그의 동료들은 "따라서 가능한 가장 낮은 온도가 초고체성을 위한 최적의 조건을 나타낼 것으로 예상할 것이다. 그들은 높은 수준의 위상 일관성과 보스-아인슈타인 응축물의 최대 밀도를 가져온다"고 설명했다. 즉, 양자 가스를 계속 식히면 먼저 초유체가 된 다음 초고체가 되어야 한다. 이는 고전적인 응집 상태와 유사하다.

가열은 유체를 초고체로 바꾼다.

실험에서 이러한 상전이를 이해하기 위해 과학자들은 디스프로슘 원자로 구성된 쌍극자 양자 가스를 사용했다. 여기에서 원자의 자기 특성은 작은 나침반 바늘과 같은 자기장에서 원자가 정렬되도록 한다. 이를 통해 구름의 밀도와 모양을 원하는 방식으로 조작할 수 있다. 이 양자 가스가 크게 냉각되면 초유체가 된다.

그러나 연구원들이 이 초유체를 천천히 다시 가열하자 놀라운 일이 일어났다. "0에 가까운 온도에서 쌍극자 초유체를 가열하면 초고체 상태로 상전이가 발생한다. 이 시스템의 일관성을 파괴하는 대신 에너지 입력으로 인해 일부 원자가 일종의 격자를 형성하고 나머지는 초유체 유체로 이동한다.

비정상적인 행동은 어떻게 발생할까?

이 현상은 일상 물리학에서 흔히 볼 수 있는 상전이를 뒤집는다. 양자 액체는 열을 받아도 응집력을 잃지 않고 일종의 양자 결정으로 변한다. 언뜻 보기에 역설적으로 보이는 이러한 행동이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해 연구원들은 발생한 일을 이론적 모델로 재구성했다.

"우리의 일상적인 인식과 모순되는 놀라운 행동은 강한 자성 디스프로슘 원자의 쌍극자-쌍극자 상호 작용의 이방성 특성에서 비롯된다. 결과적으로 가열 중에 발생하는 열 변동은 원자 구름 밀도의 주기적인 변동을 생성하며 이는 초고체 상태로의 전환을 촉진한다.

물리학자들이 설명하듯이, 이러한 결과는 이색적이고 지금까지 거의 탐사되지 않은 초고체를 더 잘 이해하기 위한 중요한 단계다. "새로운 설명으로 우리는 처음으로 온도의 함수로서 초고체 상태의 형성을 보여주는 상 다이어그램을 갖게 되었다"고 Ferlaino는 말했다.
(Nature Communications, 2023; doi: 10.1038/s41467-023-37207-3)
출처: Universität Innsbruck

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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