고체·액체·기체 말고 '초고체' 만들었다!
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고체, 액체, 기체 그리고 ‘초고체’
우리가 학교에서 배운 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 세 가지입니다. 그런데 과학자들이 물질의 새로운 상태를 만들어 주목받고 있습니다.
이번에 증명한 물질의 상태는 ‘초고체(Supersolid)’입니다. 초고체란 고체 헬륨이 절대영도에 근접한 극저온으로 냉각될 때 그 일부가 초유체로 존재하는 상태를 말합니다. 초유체는 물리학에서 점성이 전혀 없는 액체나 기체, 플라즈마 등을 일컫습니다.
1969년 영국의 물리학자 David Thouless는 초고체의 존재를 이론적으로 예측했습니다. 그 이후 많은 과학자들은 초고체를 만들기 위해 노력해왔죠. 하지만 번번히 실패했습니다.
각고의 노력 끝에 이번에 초고체 제작에 성공했습니다. 그것도 두 팀이나 성공했어요. 취리히 연방공과대학과 MIT 공과대학의 물리학자들은 이론으로만 존재하던 초고체를 실제로 만들어냈습니다.
초고체 만든 두 연구팀
MIT 공과대학의 교수이자 연구를 이끈 Wolfgang Ketterle 교수는 “초고체처럼 초유동성과 단단함을 동시에 갖춘 물질은 일반적인 상식과 반대되는 것”이라며 “만약 초유체인 액체를 컵 속에서 휘젓는다면 마찰이 없기 때문에 컵 속에서 영원히 회전한다”고 이야기했습니다.
Wolfgang Ketterle 교수는 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate, BEC)라는 이름으로 알려진 상태를 발견해 2001년 노벨 물리학상을 수상하기도 했습니다. 초고체를 만드는 연구는 이 BEC 상태로부터 시작됐습니다. 참고로 BEC는 극도로 차가운 환경에서 나타납니다. 진공 상태에서 절대영도에 아주 근접해야 합니다.
양자 기체가 초유체 상태를 유지하는 동안 연구진은 BEC의 움직임을 활용해 '결정체 구조물'을 만들었습니다. 이 과정은 '줄무늬 단계(stripe phase)'라는 이름이 붙었습니다.
이번 연구의 권위자인 Jun-Ru Li는 “초고체를 만드는 재료는 아주 간단하지만 레이저를 정밀하게 배열하고 안정적인 상태를 만드는 부분이 굉장히 어려운 작업”이라고 이야기 했습니다.
취리히 연방공과대학의 연구진도 초고체를 얻기 위해 BEC를 이용했습니다. 하지만 MIT의 연구진과 다르게 두 개의 레이저 대신 한 개의 레이저와 실험을 진행할 두 개의 작은 함을 준비했습니다. 레이저 불빛을 두 개의 함에 발사하여 공명을 만들었습니다. 이 공명은 BEC의 원자를 일반적인 모양으로 잡아 놨습니다.
취리히 연방공과대학의 Tobias Donner는 “우리는 Thouless의 이론을 성공적으로 실행해냈다”며 자랑스러워했습니다. Donner는 이어 “그러나 우리는 헬륨 대신 보스-아인슈타인 응축물을 사용했다”며 연구의 다른 점을 짚었습니다.
과학자들은 이번 연구가 초전도체와 초유체를 이해하는 데에 도움을 줄 것으로 생각하고 있습니다. 이와 관련해 NASA 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory) Anita Sengupta 박사는 “초유체 물리학을 이용할 수 있게 된다면 초유체의 운동 에너지를 전환시켜 다른 에너지로 이용할 수 있을 것”이라고 이야기한 바 있습니다. 초고체, 초유체에 대한 연구의 발전을 관심 갖고 지켜봐야 할 것 같습니다.
