우주에서 가장 추운…실험실에서 관측한 최저 온도

독일 연구팀이 2021년 8월 절대영도인 -273.15도에 가까운 물질을 냉각하는 실험에 성공했다고 발표했다. 이 온도는 지금까지 연구자가 실험실에서 만들어낸 어떤 저온 상태보다 낮기 때문에 연구팀은 우주에서 가장 추운 곳 가운데 하나라고 부르고 있다.

절대영도는 열역학적으론 원자 움직임이 전혀 없는 상태로 표현되는 물질이 가장 차가워지는 온도다. 이 절대영도에 가까운 상태가 되면 물질은 지금까지 보여주지 않았던 다양한 성질을 보이게 되지만 그 중에서도 단연 이상은 보스-아인슈타인 응축이라는 현상이다.

보스-아인슈타인 응축은 기체와 액체, 고체 플라즈마에 이은 제5 물질 상태라고 하며 물질이 파도와 같은 성질을 보여 원자 모임 전체가 큰 원자 하나처럼 행동하게 되기 때문에 입자 구조 등 물질 본질에 육박하는 연구를 하고 있는 물리학자에게 매력적인 연구 테마가 되고 있다.

보스-아인슈타인 응축 연구를 하는 과학자는 물질을 가능한 냉각 실험을 반복해왔다. 하지만 지금까지 지구 중력 영향으로 원자를 움직여 버려 원자가 멈춘 상태 그러니까 절대영도에 가까운 상태를 좀처럼 만들어낼 수 없는 과제를 안고 있었다.

독일 라이프니츠대학, 하노버대학, 브레멘대학 미소중력센터 연구팀은 연구 시설(Fallturm Bremen) 내부에서 실험 설비를 자유 낙하시켜 그 중에서 물질을 냉각하는 실험을 실시했다. 연구팀은 먼저 진공 상태로 용기에 루비듐 원자 가스 10만 개를 넣어 자석에 넣고 2나노켈빈까지 온도를 낮추고 보스-아인슈타인 응축을 발생시켰다.

그리고 실험 설비를 120m 자유 낙하시켜 무중력 상태로 하는 동시에 진공 용기 속에 자기 온오프를 전환했다. 자기장이 없어지면 가스는 팽창하고 자기장이 있으면 가스는 다시 수축한다. 이를 빠르게 반복해 가스가 운동을 중지하고 온도를 효과적으로 감소시킬 수 있다는 것.

실험 결과 연구팀은 가스 온도를 38피코켈빈까지 낮추는 데 성공했다. 이 온도는 자연 상태 우주 공간에서 가장 저온이라는 부메랑 성운 평균 온도보다 낮고 지금까지 실험실에서 달성된 어떤 저온 상태 기록보다 더 낮은 온도다. 따라서 연구팀은 우주에서 가장 추운 곳을 만들어냈다고 밝히고 있다.

이번 실험은 또 거의 절대영도 상태가 2초라는 극한 상태라면 긴 시간 동안 유지된 것으로도 주목받고 있다. 연구팀이 수행한 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 이번에 사용된 물질파 렌즈라는 기술을 적용하면 이론적으론 최대 17초 동안 초저온 상태를 유지하는 것도 가능하다는 것이다.

연구팀은 물질이 파도처럼 천성이 되는 보스-아인슈타인 응축을 진행하면서 원자 회전이나 운동 원자에 작용하는 중력 변화를 측정하는 정밀한 측정기를 개발하고 물리 기초 이론에 관한 연구를 더 발전시킬 수 있다고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.