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1. 개요
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Bose-Einstein condensation (BEC)
사티엔드라 나트 보스(সত্যেন্দ্রনাথ বসু, Satyendranath Bose)가 예측하고 알베르트 아인슈타인이 일반화한 새로운 물질의 상태이다.
1924년 보스는 광자에 적용되는 새로운 통계규칙을 찾아냈고 1925년 아인슈타인은 물질에 대해 보스의 통계규칙을 적용했을 때 일어나는 현상에 대해서 고찰했다. 미시물리학에만 나타날 거라 생각되던 현상이 거시물리학적인 형태로도 나타나는 상황이었던 것이다.
′ 보손 입자들이 절대 영도(0K)에 근접한 극저온 상태에 놓였을 때 나타나는 물질 상태′라고 간단히 정의할 수 있다.
보손으로 분류되는 입자들은 평소에 제각기 다르게 움직이지만 극도로 낮은 온도에 놔두게 되면 입자들이 서로 같은 에너지를 갖게 되면서 서로 겹쳐져(응집) 마치 하나의 입자가 된 것처럼 행동한다. 비유적으로 말하자면 제각기 굴러다니던 유리구슬들이 하나로 뭉쳐서 거대한 하나의 유리구슬이 되어 함께 굴러다니게 된 것처럼 행동한다는 것이다.
2. 원리
기본 입자의 종류는 페르미온과 보손으로 나눌 수 있는데, 보스-아인슈타인 응축은 이 중 ′보손′에서만 일어난다. 페르미온 입자들은 같은 양자 상태를 가지는 게 불가능한 반면, 보손 입자들은 같은 상태를 가질 수 있기 때문이다.|
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반면 페르미온의 경우 상태가 겹칠 수 없다는 파울리 배타 원리를 만족시켜야 하기 때문에 이미 낮은 에너지 상태를 갖는 입자가 있을 시 높은 에너지 상태의 입자가 낮은 상태로 떨어지지 못하고 그대로 남아있게 된다. 이러한 상황을 페르미 축퇴라고 하며, 이 상태의 페르미온들은 서로 반발하여 축퇴압을 갖게 된다. 결과적으로 이 경우엔 보스-아인슈타인 응집(BEC)은 나타날 수 없다.
이외에 [math(^{4}\text{He})]의 초유체 현상이 BEC와 깊은 연관을 맺고 있다. 다만 액체헬륨은 원자 간의 인력이 비교적 강하기 때문에 액체헬륨의 특정한 성질이 보스-아인슈타인 응축으로 인한 특성인지 원자간의 상호작용으로 나타나는 특성인지 구분하기가 어렵다. 따라서 보스-아인슈타인 응집 그 자체로 보기에는 무리가 있다.
또한 광자 겹침 현상도 보스-아인슈타인 응집과 관련되어 있다.
3. 페르미온 응집
Fermionic condensate페르미온 응집이란 페르미온이 보손처럼 기능하게 하여 보스-아인슈타인 응집과 비슷한 상태를 형성할 수 있도록 만드는 것을 말한다.
앞서 언급한 보손은 1,2와 같은 정수 스핀을 갖고, 페르미온은 1/2, 3/2와 같이 (정수가 아닌) 반정수 스핀을 갖는다.
페르미온 둘이 딱 달라 붙어 있으면 둘의 스핀이 거시적으로 봤을 때 통합되는데, 이때 반정수 스핀이 합연산(+) 혹은 차연산(-) 되면서 정수 스핀만이 남는다. 그러므로 간단히 말해서, 페르미온 둘이 모이면 보손이 된다는 것이다.
모이고 응집되는 것이 것이 어려운 페르미온 특성 상 보스-아인슈타인 응집에 필요한 온도보다 더욱 낮은 온도로 냉각하는 것이 필요하다.
실제 극저온으로 냉각할 경우 페르미온 입자 두 개가 쌍을 이루어 보손처럼 행동할 수가 있다.(이를 쿠퍼쌍이라고 한다.) 대표적인 페르미온인 전자 둘이 낮은 온도에서 쿠퍼쌍을 이루고, 이 쿠퍼쌍들이 보스-아인슈타인 응집을 일으켜 초전도체가 가지는 특성을 나타내게 된다. 저온 초전도체가 그 사례이다. 마찬가지로 [math(^{3}\text{He})]의 초유체 현상도 페르미온 응집이 된다.
4. 연구사
2014년 연구결과에 의하면 반도체 내의 엑시톤-폴라리톤은 상온에서도 BEC에 이룰 수 있다고 한다.[2] 엑시톤-폴라리톤은 반도체 안에 형성된 엑시톤(전자와 정공이 결합된 준입자)과 공진기 안에 있는 광자의 강한 상호작용의 결과로 생긴 제3의 보즈 준입자인데, 광자의 질량이 매우 작기 때문에 엑시톤-폴라리톤의 유효질량도 엑시톤에 비해 상당히 작아질 수 있어서 BEC 현상이 일어나는 임계 온도가 높아질 수 있다고 한다.2017년 음의 유효질량을 가진 물질을 만들어냈는데, 이 상태의 루비듐 입자에 레이저를 쏴서 만들어냈다고 한다.[3]
한정된 조건 하에서 해당 상태를 구현하려는 시도가 계속되고 있으며, 2020년에는 ISS에서 구현하는 데 성공했다고 한다.
2015년경 동국대의 교수 임현식이 극저온의 규소 금속에서 최초로 우연히 발견했고, 2023년 2월에 이 논문이 네이처 피직스에 게재되었다.
5. 창작물
[1]
보스-아인슈타인 응집의 형성 과정. 가장 오른쪽이 순수한 응집 상태이다.
[2]
2014년 성과우수과제_한국과학기술원 조용훈 교수팀
[3]
기사의 설명이 틀렸는데 음의 질량을 가진 물질을 만든게 절대로 아니다. 실제 질량은 양의 질량이 맞지만 몇 가지 부분에서 마치 음의 질량을 가진 것처럼 운동하는 물질을 만들었다는 소리다. 당연히 실제 질량은 양의 값이니 중력이 반대로 작용하지도 않고 다른 물질을 밀어내지도 않는다.