지식보관소_ 양자역학에서 이론적으로만 존재할 수 있던 물체

 

 

얼마 전 인스크로브 대학 양자연구소 연구원들은

양자역학적으로만 존재할 것으로 생각이 되어 왔던 이 상태를

실험적으로 만들었다는 내용을

국제학술지 네이처지에 게재를 했는데요.

 

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우리들을 포함한 지구상의 생명체들은

엄밀히 말하면 우주에 존재하는 특이한 상황 덕분에 존재할 수가 있습니다.

대부분 기체나 고체의 상만 가진 우주에서

지구는 암석형 행성인 데다가

거기에 충분한 대기까지 존재하는 덕분에

기체, 액체 고체를 모두 가지고 있는 덕분이죠.

 

온도라는 것은 엄밀히 말하자면 운동 에너지인데

온도가 높다라는 것은

분자가 엄청난 운동 에너지로 서로 부딪히고 있다는 것을 뜻합니다.

 

반대로 온도가 제로인 절대 영도에서는

분자들이 아무런 운동 에너지도 지니지 않은 상태를 말합니다.

 

고체가 기체가 된다는 것은

이러한 운동 에너지가

분자 간의 결합력을 이기게 돼서

서로 이렇게 흩어지게 되는 상태인 것이죠.

 

여기에서 액체는 특히나 더 신기한데

액체가 되기 위해서는

적절한 에너지에다가 중력과 대기까지 존재를 해야 합니다.

즉 원래면 기체가 돼야 했을 물체가

압력이 가해져서

기체가 되지를 못하고 뭉쳐져 있는 형태가 액체인 것이죠.

 

그래서 과학자들이

물이 있는 행성에서 생명체를 찾는다는 것은

물만 찾는다는 의미가 아니라

물질의 3가지 상이 존재할 수가 있는

다양한 가능성을 가진 행성을 찾는다는 것입니다.

 

또 이러한 조건들과 생명체의 유사성은

이 상온 단백질 분자의 움직임을 보면 알 수가 있는데,

상온과 적절한 압력 덕분에

생명체를 구성하는 단백질 분자는

이처럼 계속해서 움직이게 되고

결국 이러한 것이 생명체를 만들게 되는 것이죠.

 

때문에 만약 절대영도로 냉동 인간을 만들 수가 있다면

이런 움직임은 아예 멈출 것이고

분자구조에서도 이렇게 움직임이 멈추게 되는 것은

생명체라고 볼 수가 없기 때문에

수천~ 수만 년 후에 다시 깨울 수가 있다면

냉동상태에서는 늙지 않는다고 볼 수가 있는 것이죠.

 

문제는 고체, 액체, 기체를 모두 볼 수가 있는 건

지구 표면에 한정된 것일 뿐이고

전혀 다른 온도나 압력에서는

우리가 예상하지도 못한 상태의 상이 존재할 수도 있습니다.

 

대표적인 게 초유체인데

초유체 헬륨은 액체인데 유리관을 타고 오르거나 저항이 없이 흐르는 등

굉장히 기이한 모습들을 보여줍니다.

 

더 신기한 건 초고체라는 상태인데

고체+초유체를 나타내는 말입니다.

이러한 초고체는 고체임에도 불구하고

액체보다도 유동성이 큰 상태를 나타내는데요.

‘아니 고체인데 액체보다 유동성이 크다는 거는 모순 아니냐?’라고 얘기를 할 수도 있는데

물체의 위치가 특정 범위 안에서는 고정이 되어 있지만

그 범위 안에서는 액체보다도 유동성이 클 수가 있는

이상한 물체를 뜻합니다.

 

안타깝게도 초고체는 양자역학적으로만 존재가 예상이 되었고

실제로는 밝혀내지는 못했던 물체입니다.

 

10년 전에도 초고체를 만들었다는 연구가 있긴 했지만

그 내용에 대해서 회의적이었기 때문이죠.

뭐 지금까지 말이죠.

 

얼마 전 인스크로브 대학 양자연구소 연구원들은

양자역학적으로만 존재할 것으로 생각이 되어 왔던 이 상태를

실험적으로 만들었다는 내용을

국제학술지 네이처지에 게재했는데요.

 

이번에 연구진이 발견한 건

2017년 취리히공대와 MIT연구진이 만든

1차원적으로 늘어선 초고체를 2차원적으로 확장을 한 물체입니다.

 

연구팀은 이번 실험에서

희토류 중의 하나인 디스플로슘을

레이저를 사용해서 절대영도까지 냉각을 시키는

그런 배열을 여러 개로 만듦으로써

2차원 초고체를 달성한 것인데요.

 

사실 2017년도에 있었던 연구와 비슷하지만

당시에는 이러한 물질을 단순 1차원으로 만들었기 때문에

이게 정말로 이론상의 초고체가 맞는지

검증하는 것이 까다로웠습니다.

하지만 이번 2차원 초고체는

이러한 검증들이 수월할 수가 있다는 것이죠.

 

이것이 이전에 연구가 되었던

1차원 초고체의 사진과 2차원 초고체의 사진인데

각각의 원자들은 이 밝은 영역에서 좌표값이 고정이 되어 있는

즉 고체나 마찬가지이지만

이 범위 내에서는 유체보다도 더 큰 유동성을 가질 수가 있는

정말로 이상한 상태인 초고체 상태를 달성한 것입니다.

 

초유체 상태에서는

마찰이 0이 되고 엔트로피가 없는 상태가 되기 때문에

초전도체 냉각 등으로도 연구가 되고 있습니다.

 

하지만 반대로 마찰이 없이 흐른다는 점 때문에

용기를 거꾸로 올라가는 것은 물론이고 미세한 틈으로도 빠져나가는 등

초유체를 다루는 게 너무나도 힘들다는 것이

단점으로 지적이 되기도 했죠.

 

하지만 초고체는 이러한 초유체의 특성을 그대로 지니면서도

엄밀히는 고체이기 때문에

핵융합발전의 핵심으로 지목이 되는

초전도체와 관련된 분야에서 활용이 될 수가 있습니다.

 

아직까지는 실험적으로

이러한 물질이 존재할 수가 있다라는 걸 밝혀낸 정도에 그치지만

현재도 과거에는 이론으로만 존재되던 것들이

실제로 활용이 되고 있다는 것을 생각한다면

언젠가는 과학기술을 바꿔줄지도 모르는

연구일 수도 있다는 그런 생각이 드네요.