세계에서 가장 느리고 가장 차가운 보스-아인슈타인 응축수 생성 성공

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-09-01 21:44:07
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* 자유 낙하로 세계에서 가장 차갑고 오래 지속되는 보스-아인슈타인 응축수 만들어
* 균일하게 반응하는 물질파를 형성할 때까지 원자 구름을 냉각시켜
* 세계에서 가장 느리고 가장 차가운 보스-아인슈타인 응축수를 생성하는 데 성공

자유 낙하에서 최저 기온 기록
낙하 타워에서 보스-아인슈타인 응축수는 38피코켈빈(pK)으로 냉각됐다.


매우 차갑고 오랫동안 안정적이다.
물리학자들은 자유 낙하로 세계에서 가장 차갑고 오래 지속되는 보스-아인슈타인 응축수를 만들었다. 그들은 균일하게 반응하는 물질파를 형성할 때까지 원자 구름을 냉각시키고 새로운 프로세스를 사용해 원자 운동을 더욱 좁혔다. 그 결과 응축수의 온도는 38피코켈빈까지 떨어졌다. 이는 절대 영도보다 38조분의 1도 높은 수준이며 전 세계 기록이다. 

▲ 보스-아인슈타인 응축수가 무중력 상태나 자유낙하 상태에서 즉시 다시 용해되지 않도록 하려면 극도로 차가워야 한다. © NIST / JILA / CU-Boulder

보스-아인슈타인 응축물에서 원자는 일제히 진동하고 단일 물질 파동이나 단일 거대 원자처럼 반응한다. 이 신비로운 양자 상태에서 레이저의 간섭성 빛 입자와 같은 초저온 원자는 중력파 또는 중력 상수와 같은 특히 정확한 측정뿐만 아니라 암흑 물질 입자의 검출에도 사용할 수 있다.

운동학적 팽창의 문제

문제는 무중력 상태 또는 자유 낙하 상태에서-이러한 많은 측정이 수행되는 조건에서-극저온 원자의 잔류 에너지가 보스-아인슈타인 응축물을 빠르게 다시 분리시키므로 분해된다. 예를 들어 브레멘에 있는 응용 우주 기술 및 미세 중력 센터(ZARM)의 낙하 탑에서 실험에서 응축수는 낙하가 시작된 직후 더 감지되지 않는다.

최근 물리학자들은 처음으로 보스-아인슈타인 응축수가 이전에 관찰된 것보다 훨씬 더 오랫동안 자유 낙하에서 안정적으로 유지될 정도로 냉각 및 안정화에 성공했다. 원자 구름의 운동 에너지와 그에 따른 팽창은 응축수가 몇 초 동안 우주에서 가장 차가운 곳 중 하나가 될 정도로 감소했다.
▲ 그림 1 상호 작용 기반 시간 영역 물질 파동 렌즈 시스템. 원자 칩에서 생성된 보스-아인슈타인 응축물(BEC)은 방출된 다음 자유롭게 표류하거나 잠시 자기 렌즈 전위에 노출된다. 서로 다른 두 방향의 흡수 이미지는 그림 1과 같이 BEC의 위치 및 공간 분포에 대한 완전한 3차원(3D) 정보를 제공한다. (출처: Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics)

진동에 사로잡혀

하노버 라이프니츠 대학의 크리스티안 데프너(Christian Deppner)와 그의 동료들은 자기 트랩에서 10만 개 루비듐 원자의 극저온 구름에서 보스-아인슈타인 응축물을 먼저 생성함으로써 이를 달성했다. 이전 접근 방식은 구름을 측면으로 좁히고 더 냉각시키는 자성 물질 렌즈로 응축수를 안정화했다. 그러나 3차원에서는 이 물리 시준(視準)이 작동하지 않는다.

따라서 팀은 누락된 방향으로 응축수를 늦추는 추가 기술을 사용했다.
이를 위해 원자운을 집단진동으로 설정하고 응축수가 특히 길고 좁은 시점을 정밀하게 측정했다. 응축물이 다시 압축 상태로 돌아가는 것을 방지하고 재료 렌즈를 사용해 나머지 2차원에서 응축물을 좁힘으로써 응축물에 있는 원자의 운동 에너지를 더욱 감소시켰다.

보스-아인슈타인 응축수의 저온 기록

그 결과 내부 운동 에너지가 전례 없이 낮은 Bose-Einstein 응축수가 생성되었다.
원자의 운동이 느려져 온도가 38피코켈빈이 되었다. 이는 절대 영도보다 38조분의 1도 높은 온도다. 보스-아인슈타인 응축수의 경우 이것은 지금까지 도달한 가장 낮은 온도에 해당한다.
▲ 집단 진동과 적시에 자기 렌즈를 사용하는 조합은 보스-아인슈타인 응축수의 팽창을 기록적인 수준으로 늦췄다. © American Physical Society/ Alan Stonebraker


결정적인 요인은 이 극도로 낮은 에너지 상태로 인해 Bose-Einstein 응축수가 자유 낙하의 무중력 상태에서도 이전보다 더 오랫동안 안정적으로 유지되었다는 것이다.
“우리의 조치 없이 낙하 타워에서 응축수는 해제된 후 최대 160밀리초까지 감지된다. 우리 시스템을 사용하여 이 시간을 2초로 늘릴 수 있었다”고 Deppner와 그의 동료들은 보고했다.

새로운 응용 가능성

따라서 팀은 새로운 방법으로 세계에서 가장 느리고 가장 차가운 보스-아인슈타인 응축수를 생성하는 데 성공했다. 추가 컴퓨터 시뮬레이션은 이러한 특성을 가진 응축수가 무중력 상태에서 최대 17초 동안 안정적으로 유지될 수 있음을 시사한다. 이것은 물리적 측정에서 이러한 응축수를 사용할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어준다.

이 연구에 참여하지 않은 포츠머스 대학의 물리학자 Vincenzo Tamma는 저널의 보충 기사에서 다음과 같이 말했다. "이 새로운 렌즈 방법을 통해 우리는 기본 물리학 및 양자 센서 기술 테스트에 사용할 수 있는 방식으로 보스-아인슈타인 응축물의 모양과 팽창을 제어할 수 있다.“”
(Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103 / PhysRevLett.127.100401)
출처: American Physical Society (APS), Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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