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[표지로 읽는 과학]절대영도 가까운 극저온에서 탄생시킨 페르미온 분자

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2019년 02월 24일 09:00 프린트하기

Science 제공
Science 제공

아무렇게나 날아다니는 초파리를 가둬놓은 걸까. 국제학술지 사이언스는 투명한 상자 안에 갇혀 있는 작은 분자들의 모습을 22일자 표지에 실었다. 작은 분자들은 상자를 열기만 하면 바로 쏟아져 나올 것처럼 이리저리 떠다니고 있다.
 
이 그림은 절대영도에 가까운 극저온에서 분자를 매우 차갑게 냉각시켜 형성한 페르미온 분자(진짜 분자는 아니지만 두 원자가 화학결합을 한 강하게 상호작용하는 쌍)들의 모습을 나타낸 것이다. 페르미온은 파울리 배타 원리에 따라 하나의 양자 상태에 단 하나의 분자만 허용된다. 그러면 무리를 짓지 않고 비교적 균일한 거리를 유지하며 상자 속 분자들처럼 고르게 퍼지게 된다.

 

물리학자들은 지난 10년간 이 방법을 이용해 원자들이 갖고 있는 근본적인 성질을 관찰해왔다. 지금까지 연구했던 것은 칼륨-루비듐, 나트륨-칼륨, 루비듐-세슘, 나트륨-루비듐, 리튬-나트륨 등이다. 이 분자들은 250~600nK(나노켈빈, 1nK=10억분의 1 켈빈) 범위의 극저온에서 만들었다.

 

하지만 기존 칼륨-루비듐 분자 연구에는 한계가 있었다. 분자를 충분한 양만큼 만드는 동안 상당수 분자를 잃고 말았다. 안정한 상태로 돌아가기 위해 분자가 나눠지려는 화학반응(2KRb→K2+Rb2)이 일어나기 때문이었다. 사실 이 문제를 해결할 수 있는 답은 '페르미 온도(TF)'에 있다. 

 

페르미 온도란 페르미온의 통계와 관련된 양자적 효과와 열적 효과가 동등한 온도를 뜻한다. 그래서 페르미 온도보다 낮은 온도에서는 이번 연구처럼 양자적 효과를 뚜렷이 확인할 수 있고, 더 높은 온도에서 분자들은 고전적 입자에 더 가까워진다. 페르미 온도보다 낮은 온도에서 분자를 합성하면 분자들 사이의 공간적 거리가 균일하게 되고 무리를 덜 짓게 된다. 화학적 반응이 억제돼 훨씬 안정적이다. 

 

미국 콜로라도대와 캘리포니아공대 연구팀은 페르미 온도의 30%에 불과한 약 50nK에서 칼륨 원자와 루비듐 가스를 합쳐 칼륨-루비듐 분자를 생산하는 데 성공했다. 파울리 베타 원리를 따르는 페르미온의 양자적 성질을 가지고 있기에 이 분자들은 서로 충돌해 분해되는 역반응이 거의 일어나지 않아 안정된 상태에서 분자의 양자적 성질을 관찰할 수 있었다. 

 

서로 거의 반응하지 않는 분자 상태의 구현은 장수명의 양자 겹침 분자 가스에 대한 본격적인 연구를 가능케 한다. 이는 향후 양자 영역에서의 화학, 양자 정보 과학, 양자 시뮬레이션, 근본적인 물리 측정 분야에서 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 

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