국제우주정거장서 물질 제5상태 생성했다

물질의 제5 상태인 보스·아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensation)이 국제우주정거장에서 열린 실험을 통해 생성됐다. 이번 실험에선 미소중력 환경에서 보스·아인슈타인 응축은 지구상 것과는 다른 특성이 있다는 걸 증명했다.

보스·아인슈타인 응축은 고체와 기체, 액체, 플라즈마에 이은 물질의 제5상태로 입자 집단이 온도 이하에서 갑자기 최저치 에너지 준위 침체가 되는 상태다. 보스·아인슈타인 응축이 발생하면 원자마다 파동 함수가 서로 겹치기 시작해 입자계 전체가 동일 파동으로 행동하게 된다. 최종 응축체는 개별 원자 하나의 파동함수로 표현되는 거시적 양자 상태가 되고 일관적으로 행동한다.

보스·아인슈타인 응축은 1925년 물리학자 아인슈타인과 사티엔드라 나스 보스Satyendra Nath Bose)에 의해 존재가 예언됐다. 이 예언 70년 뒤인 1995년 콜로라도대학과 MIT공대 연구팀이 실현에 성공했고 해당 연구팀은 이 실험을 통해 2001년 노벨물리학상을 수상했다.

보스·아인슈타인 응축 상태를 실현하려면 레이저 냉각에 의해 몇 마이크로 켈빈에서 수백 나노 켈빈 절대 영도에 한없이 가까운 온도까지 냉각, 원자를 광자기트랩 등으로 포획해야 한다. 하지만 지상에선 중력이 원자에 영향을 주기 때문에 보스·아인슈타인 응축 상태를 정확하게 제어하는 건 곤란하다는 문제가 있었다.

따라서 1995년 보스·아인슈타인 응축을 실현하고 노벨상을 수상한 연구자 3명을 포함한 연구팀은 중력이 미약한 우주공간에서 보스·아인슈타인 응축 상태를 실현하려는 실험을 제안했다. 이 제안을 받아 2018년 5월 미 항공우주국 나사(NASA)가 국제우주정거장을 이용해 같은 해 11월 독일 연구팀이 기상 관측 로켓을 사용해 미세중력 환경에서 보스·아인슈타인 응축 실현을 목표로 한 실험을 실시했다.

2020년 6월 11일 국제우주정거장에서 실험을 실시한 나사 연구팀이 미소중력 환경에서 보스·아인슈타인 응축을 실현했다는 논문을 발표했다. 연구팀은 이 논문에서 미소중력 환경에서 보스·아인슈타인 응축은 지상 환경과는 특성이 다르다며 예를 들어 자유롭게 팽창시간이 지상 환경에선 수십밀리초인 데 비해 미세중력 환경에선 1초를 초과했다고 보고 있다. 자유팽창시간이 길수록 관측 시간이 증가하고 측정 정확도가 높아지기 때문에 보스·아인슈타인 응축 관련 연구에선 상당히 중요한 요소다.

또 미소중력 환경에선 지상 환경보다 약한 힘으로 원자를 포획할 수 있기 때문에 더 절대영도에 접근할 수 있었다고 한다. 이런 이유로 미소중력 환경에서 더 정확한 관측이 가능하다. 연구팀은 미소중력 환경에서 보스·아인슈타인 응축 연구는 일반상대성이론에 관한 실험과 우주선 항해, 달 등 행성 지하광물 탐사를 목적으로 한 암흑물질, 중력파 연구 등 다양한 연구에 도움이 될 수 있다고 설명하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.