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고체물리학·
응집물질물리학 ''' |
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1. 개요
| <colbgcolor=#ee7b1a,#a15311><colcolor=#fff> 물질의 상태(상) 및 상전이 | |
| 일반 상태 | 고체 · 액정 · 액체 · 초임계유체 · 기체 · 플라즈마 |
| 특이 상태 | 초전도체 · 초유동체 · 보스-아인슈타인 응집 ( 페르미온 응집) · 진틀상 |
초유동체( 超 流 動 體, superfluid) 또는 초유체(超流體)는 점성(粘性)과 표면장력이 전혀 없고, 흐를 때 소용돌이가 존재하지 않는 액체의 상태를 말한다.
액체 헬륨에서 발견된 현상이다. 액체 헬륨은 두 가지로 구분되는데 끓는점(4.22 K) 이하에서 람다(λ) 온도 사이의 헬륨을 헬륨I이라 부르고, 람다 온도 이하의 헬륨을 헬륨II라고 부른다. 질량수 4의 4He의 람다 온도는 2.1768K이고, 질량수 3의 3He의 람다 온도는 0.0027K이다. 과학자들은 이 람다 온도의 차이를 이용하여 초유동 현상의 원리를 설명하고 있는데, 초전도체처럼 양자 세계의 현상이 거시 세계에서 작동하는 예외적이며 대표적인 사례 가운데 하나다.
He4와 같은 보손 초유체는 보스가 제안하고 이후 아인슈타인이 뒷받침한 보스-아인슈타인 통계, 보스-아인슈타인 응집을 따른다.
어떤 물리계가 절대온도로서의 0도에 근접하면 모든 원자가 하나의 양자적 상태에 수렴하여, 마치 하나의 원자처럼 행동한다는 것인데, 이것은 둘 이상의 입자가 동일 양자 상태에 존재하는 것이 가능하기 때문이다. 또한 양자적 입자의 이러한 분포 현상을 보스-아인슈타인 통계라고 한다. 더해서 레이저로 원자의 운동을 억제, 온도를 극도로 낮춰 보스-아인슈타인 응집 상태를 이룰 수 있다는 연구로 스티븐 추 등이 1997년 노벨상을 수상했다.
He3과 같은 페르미온 초유체는 페르미-디랙 분포를 따르며 파울리 배타 원리와 관계가 깊다. 배타 원리란, 짧게 요약해서, 전자와 같은 입자의 경우에는 동일한 두 입자는 동일한 양자상태에 존재할 수 없다는 것인데, 페르미는 이로부터 보스-아인슈타인 분포와는 다른 새로운 입자 분포함수를 얻었다. 같은 1926년에는 폴 디랙이 이런 분포를 더욱 연구하여 이 분포를 페르미-디랙 통계라 한다.
위와 같은 페르미온-보손 초유체는 이후 파울리에 의해 분류되었다. 그는 정수 스핀(보손)의 입자들은 보스-아인슈타인 통계를 따르고 반정수 스핀(페르미온)의 입자들은 페르미-디랙 통계를 따른다 하였다.
더해서 보스 분포를 따르는 보손 입자들은 동일 양자 상태에 존재할 수 있으나, 페르미 분포를 따르는 페르미온 입자들은 파울리 배타 원리에 의거, 동일 양자상태에 존재할 수 없음이 밝혀졌다.
초유동 현상은 헬륨II에서 일어나는 현상인데, 액체가 점성이 존재하지 않는 점 때문에 다양한 현상이 발생한다. 마찰을 거의 무시하며, 분자 간 인력이 없고, 액체를 가두는 분자와의 인력이 더 커서 얇은 박막 상태로도 흐르며, 심지어는 플라스크 비커를 타고 올라가 바깥으로 떨어지기도 한다. 매우 작은 구멍도 통과하고, 물결이 치지 않는 것이 대표적인 현상이다.
이로 인해 중력, 빛 등의 작은 원인에도 민감한 움직임을 보인다. 헬륨II를 담은 큰 용기 안에 작은 용기를 넣으면, 용기가 완전히 잠기지도 않았는데 작은 용기 안으로 작은 용기의 외부면을 넘어 헬륨이 흘러들어가고, 이 용기를 큰 용기 밖으로 꺼내서 약간 띄워두면 헬륨II가 작은 용기의 면을 타고 밖으로 흘러나가 큰 용기로 내려가는 현상이 잘 알려져 있다. 이러한 성질 때문에, CERN에서 초전도체 자석의 냉각 용매로 헬륨 초유동체를 사용한다.
초유동 현상은 마찰을 무시한다는 장점은 있지만 다루기 힘들어 초전도체와는 달리 산업용으로는 그다지 주목받지 못한다. 일반인들에게도 초전도체에 비해 인지도가 매우 낮다.
2. 초고체
고체에서 초유동 현상이 발생하면 초고체(supersolid)라고 한다. 뭔가 엄청 단단한 고체일 것 같지만 사실은 초유동체 + 고체이므로 단단함과는 상관없다.1957년 미국의 이론물리학자 유진 그로스가 초고체의 존재를 처음으로 예측했다. 2004년 펜실베이니아주립대 모제스 챈 교수와 대학원생 김은성이 '비틀림 진동자'라는 기구를 이용해 고체 헬륨에서 초고체 현상을 발견해냈다고 발표했다. 김은성은 현재 카이스트 교수로 초고체를 계속 연구하고 있으나, 챈이 훗날 이 실험에 오류가 있었다고 주장하면서 현재는 두 사람의 의견이 갈라진 상태이다.
현재는 양자 기체에서 물질의 밀도 변이가 주기적인 상태를 유도하는 방식으로 초고체를 발견해내는 방향이 설득력을 얻고 있다.