우주에서 양자 다섯번째 물질상태 첫 관측 > 유용한 정보

과학자들이 국제 우주정거장에서 다섯 번째 물질 상태를 처음으로 관찰했다.

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)과 인도 수학자 사티엔드라 보스(Satyendra Nath Bose)이 약 1세기 전에 예측한 보스-아인슈타인 응측(Bose-Einstein condensates, BECs)은 특정 원소의 원자가 거의 0에 가깝게 냉각될 때 형성된다(0 Kelvin, 273.15 Celsius). 이 시점에서 원자는 양자 특성을 갖는 단일 실체가되며, 각 입자는 물질의 파동으로 기능한다. BEC는 양자 역학에 의해 지배되는 중력과 미세한 평면과 같은 힘에 의해 지배되는 거시적 세계 사이의 선을 가로지른다.

과학자들은 BEC가 우주 가속 팽창의 알려지지 않은 에너지 암흑 에너지와 같은 신비한 현상에 대한 중요한 단서가 될수 있다고 믿는다. 그러나 BEC는 매우 취약하다. 외부 세계와의 최소한의 상호 작용은 온도 상승을 가져와 응축 임계값을 초과한다. 이는 중력 간섭이 자기장을 방해하는 지구에서 정지상태를 유지하는 것을 사실상 불가능하게 한다.

NASA 과학자팀은 국제 우주 정거장(ISS)에서 입자를 조작해 BEC 실험의 첫 번째 결과를 발표했다. 캘리포니아 공대(California Institute of Technology)의 로버트 톰슨(Robert Thompson)은 “중력에 대항해 지지 할 필요가 없기 때문에 미세 중력으로 원자를 훨씬 약한 힘으로 제한 할 수있다”고 말했다.

11(현지시각) 과학저널 네이처(Nature)에 발표된  연구에 따르면  지구에서 생성된 BEC와 ISS에서의 BEC의 특성에 몇 가지 놀라운 차이점이 있다. 우선 지상 실험실의 BEC는 일반적으로 소멸되기 전에 수 밀리 초 동안 지속된다. ISS 탑재 BEC는 1초 이상 지속해 팀에게 전례없는 속성을 연구할 수있는 기회를 제공했다. 미세 중력은 또한 약한 자기장으로 원자를 조작해 냉각 속도를 높이고 더 선명한 이미징을 가능하게한다.

우주 정거장의 물리적 경계 내에서 물질의 다섯 번째 상태를 만드는 것은 결코 의미가 없다. 먼저, 같은 수의 양성자와 전자를 갖는 입자인 보손은 레이저를 사용해 거의 제로에 가깝게 냉각시켜 제자리에 고정시킨다. 원자가 열을 잃을 때, 자기장이 형성돼 위치에 고정되고 각 입자의 파동이 팽창한다.

많은 보손을 미세한 “트랩”으로 만들면,이 물질의 파동이 단일 물질 파동 (quantum degeneracy)으로 겹치게 된다. 과학자들이 응축을 연구하기 위해 두 번째 자기 트랩을 해제하면 원자들은 서로 반발해 원자 구름이 흩어져 BEC가 희석됩니다.

톰슨과 연구팀은 ISS의 미세 중력으로 인해 칼륨과 비슷한 연질 금속 루비듐으로 지구보다 훨씬 더 좁은 트랩에서 BEC를 만들 수 있음을 깨달았다. 이는 확산 전에 응축을 연구할 수있는 시간이 크게 늘어난 것을 설명했다.

톰슨 교수는 “가장 중요한 것은 원자가 외력에 의해 완전히 구속되지 않은 상태에서 원자를 관찰할 수 있다는 점”이라고 말했다.

앞선 연구에서는 자유 낙하, 로켓, 비행기 등에서 BEC 무중력 상태를 모방하려했다.

*David C. Aveline et al. Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab,  Nature  (2020).  DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1