과학자들이 최초로 빛을 '초고체'로 변환: 이것이 의미하는 바와 중요성
연구자들은 처음으로 빛을 양자 결정 구조로 변환하여 고체이자 액체인 "초고체"를 만들었습니다. 이것이 의미하는 바와 이것이 왜 그렇게 큰 진전인지 알아보세요.
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연구자들은 처음으로 빛을 '초고체'로 변환했습니다. 초고체란 고체이자 액체인 이상한 물질 상태입니다.
과학자들은 이전에도 원자로 초고체(supersolid)를 만들어낸 적이 있지만, 빛과 물질을 결합해 초고체(supersolid)를 만든 것은 이번이 처음이며, 응집물질 물리학 연구에 새로운 문을 열어줄 것이라고 연구자들은 3월 5일 Science 저널에 발표한 논문에서 설명했다 .
하지만 초고체란 정확히 무엇이고, 이 새로운 개발이 왜 그렇게 흥미로운 걸까요? 알아야 할 모든 것이 여기에 있습니다.
초고체란 무엇인가?
초고체는 양자 역학 에 의해 정의된 이상한 물질 상태 로, 입자가 질서 있고 결정질인 고체로 응축되지만 점도가 없는 액체처럼 움직입니다. (점도는 물질의 내부 마찰을 말하며, 물질의 흐름을 얼마나 매끄럽게 하는지를 결정합니다.) 일반적으로 고체는 스스로 움직이지 않지만 초고체는 조직화된 격자 구조를 유지하면서 입자 상호 작용에 따라 방향과 밀도를 변경합니다.
초고체(supersolid)는 왜 그렇게 차가운가?
초고체는 형성되기 위해 극히 낮은 온도가 필요합니다. 보통 절대 영도 (화씨 영하 459.67도 또는 섭씨 영하 273.15도)에 매우 가깝습니다. 대부분의 입자는 가능한 가장 낮은 에너지 상태를 차지해야 하며, 열은 입자를 공놀이에 흥분한 유아처럼 위아래로 뛰게 합니다.
물질이 충분히 차가우면 온도는 더 이상 입자가 서로 상호작용하는 방식을 가리지 않습니다. 대신 양자 역학의 작은 효과가 물질의 거동을 결정하는 요소가 됩니다.
유아들이 집에 돌아갔고 볼 풀이 고요한 상태로 자리 잡았다고 상상해 보세요. 이제 우리는 볼 풀의 개별 구성 요소가 어떻게 서로 상호 작용하여 특성을 정의하는지 평화롭게 연구할 수 있습니다.
유체가 점성이 없을 수 있나요?
점도는 유체가 얼마나 쉽게 모양을 바꾸는지를 측정하는 것입니다. 점도가 높은 유체는 스스로 더 많이 달라붙는 경향이 있고, 따라서 움직임에 저항합니다. 이는 시럽이 용기에서 부을 때 더 느리게 움직이는 반면 수도꼭지에서 물이 흘러내리는 방식과 비슷합니다. 초유체와 초고체를 제외한 모든 유체는 어느 정도의 점도를 가지고 있습니다.
점성이 없는 유체의 가장 잘 알려진 예는 절대 영도에서 몇 도 이내의 온도로 냉각된 헬륨입니다. 입자는 절대 영도에서 완전히 정지하지 않습니다. 불확정성 원리 로 인해 약간 흔들립니다 . 헬륨-4 동위 원소의 경우, 많이 흔들립니다. 헬륨-4 샘플이 절대 영도에서 고체가 되는 것은 불가능할 정도로 충분히 흔들립니다. 입자를 정말로 압축하기 위해 약 25기압의 압력이 가해지지 않는 한 말입니다.
헬륨-4의 절대 영도에서의 꿈틀거림과 다른 양자 현상은 유체의 작용 방식에 극적인 변화를 일으킵니다. 마찰이 없어지고(따라서 점도가 없음) 다른 것들 중에서도 용기에서 빠르게 빠져나올 수 있습니다.
어떻게 하면 빛을 고체로 만들 수 있을까?
초고체는 이전에도 원자 가스로 만들어 졌습니다 . 그러나 새로운 연구에서는 "폴라리톤" 시스템의 속성에 의존하는 새로운 메커니즘을 사용했습니다.
폴라리톤은 광자(빛)와 엑시톤과 같은 준입자를 강한 전자기적 상호 작용을 통해 결합하여 형성됩니다. 이들의 특성으로 인해 일부 원자 가스와 유사한 방식으로 가능한 가장 낮은 에너지 상태로 응축될 수 있습니다. 즉, 빛은 물질과 결합되어 함께 초고체로 응축될 수 있습니다.
초고체(supersolid)는 왜 유용한가?
초고체는 온도가 방해가 되지 않는 입자 간의 미세한 양자 상호 작용의 효과를 보여주기 때문에 연구하기에 중요합니다. 초고체의 거동과 특성을 매핑할 때 우리는 실제로 원자와 입자가 어떻게 구성되어 있는지 살펴보고 있습니다. 이를 통해 우리가 살고 있는 세상에 대한 근본적인 정보를 얻을 수 있습니다.
더 많은 연구와 개발을 통해 초고체는 양자 컴퓨팅 , 초전도체 , 마찰 없는 윤활제 및 아직 생각조차 하지 못한 응용 분야 에 사용될 수 있습니다 . 아직 발견하지 못한 가능성이 너무 많고 빛으로 초고체를 만드는 것은 큰 진전입니다.
과학자들이 최초로 빛을 '초고체'로 변환: 이것이 의미하는 바와 중요성
Scientists turn light into a 'supersolid' for the 1st time ever: What that means, and why it matters
For the first time, researchers transformed light into a quantum crystalline structure to create a "supersolid" that's both solid and liquid at the same time. Here’s what that means, and why it's such a big step forward.
www.livescience.com
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