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수 천만 개의 원자가 하나처럼 움직이는 때는?

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2017년 09월 10일 18:29 프린트하기

사이언스 제공
사이언스 제공
[표지로 읽는 과학_사이언스]

 

이번 주 ‘사이언스’ 표지는 격자에 갖춰 얼어있는 듯한 원자의 모습을 그린 일러스트가 장식했다. 파란 원은 움직이지 않는 상태의 원자, 빨간 원은 움직이고 있는 원자를 나타낸다.

 

항상 각자의 방향으로 자유롭게 움직이던 원자가 특정 상황이 되면 규칙적인 움직임을 보인다. 원자가 절대영도(-273도)에 가깝게 냉각될 때 나타나는 현상이다. 상온에서 제각기 따로 놀던 원자들이 초저온으로 온도가 내려가면 갑자기 모두 하나의 원자처럼 똑같이 움직이게 되는 것이다.

 

1920년대 알베르트 아인슈타인과 샤텐트라 보스가 처음 예견한 현상으로 이들의 이름을 따 ‘보스 아인슈타인 응축(BEC)’ 현상이란 이름이 붙었다. BEC의 이론적 현상이 제기된 진 오래지만 실제 실험실에서 이 현상을 증명한 건 불과 20년 밖에 되지 않았다.

 

과학자들은 왜 눈에 보이지도 않는 원자의 거동을 연구하려 끊임없이 노력할까? 이번 주 ‘사이언스’에는 과학자들이 현재까지 BEC 연구를 통해 이룬 성과를 소개하는 3편의 논문이 스페셜 이슈로 실렸다.

 

BEC는 우주의 기본 법칙 등 자연과학부터 양자컴퓨터와 같은 첨단과학을 연구하는 데까지 다양하게 활용된다. 수천 만 개의 원자 입자가 하나의 원자처럼 행동한다는 것은 다시 말하면 거대한 하나의 원자가 된다는 것과 같다. 즉, 그간 관찰하기 어려웠던 미시적인 현상을 거시적으로 관찰할 수 있는 기회가 된다는 의미다.

 

과학자들은 냉각 기체를 활용해 원자를 냉각 시켜 처음 BEC 현상을 관측한 20년 전부터 현재까지 다양한 연구들을 진행했다. 스페셜 이슈에 실린 첫 논문은 BEC가 표준 모델로 아직 풀어내지 못한 암흑 물질, 암흑 에너지의 양, 반물질 등에 대한 우주의 기본 입자에 대한 완전한 이해를 이끌어낼 수 있다고 강조한다.

 

이와 함께 다른 두 편의 논문은 BEC 현상을 더 잘 관측할 수 있게 만든 첨단 물리학에 대해 소개했다. 초저온 원자의 진동 및 회전 자유도 특성으로 인해 알게 된 다양한 사실들이 소개됐다. 또, 초저온 상태에 이른 원자를 움직이지 않게 잡아두기 위한 ‘광학 격자’와 양자가스현미경은 초저온 상태 원자의 위상을 관찰하는 데 중요한 진전을 가져왔다는 평가다.

 

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