지식보관소_ 최근 실험에서 볼 수 없던 새로운 물질상태를 만드는데 성공했다

 

 

얼마 전 프랑스 대체 에너지 및 원자력위원회 연구원들은

무려 460GPa의 압력을 가하면

중수소를 새로운 물질상태로 만들 수가 있다는 사실을 발견했고

이를 Physical Review Letters 저널에 발표했습니다.

 

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태양계의 거대 가스행성인 목성은

그 크기도 어마어마하지만

크기 이상으로 어마어마한 크기의 자기장을 가지고 있습니다.

 

목성의 자기장은

아주 크고 거대해서

지구에서 만약 목성의 자기장을 볼 수가 있다면

보름달만큼 크게 보일 정도죠.

 

이렇게 강력한 자기장을 따라 흐르는 하전입자 때문에

목성 주변 위성에 유인 탐사를 하기 위해서는

방사선 차폐기술이 필요한 것입니다.

 

그런데 사실 목성에 이렇게 강한 자기장이 생기는 이유는

완벽하게 설명이 안 됩니다.

 

물론 지구의 자기장이 생기는 가설도

100% 증명이 된 것은 아니지만

지구의 경우 맨틀 아래에 있는 액체 상태의 철핵이

회전하면서 생긴다는 가설이 유력하며

이를 다이나모 이론이라고 부르죠.

 

그러나 목성은 가스행성이고

대부분 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소들로 구성되어 있어서

전도성이 높은 금속 핵이 있다고 보기가 어렵기 때문에

다이나모 이론으로 쉽게 설명하기가 어렵습니다.

 

때문에 과학자들이 생각했던 가설은

목성의 중심에 높은 압력이

가벼운 원소를 전도성이 높은 상태로 만들었다고 생각했었습니다.

뭐 지금까진 말이죠.

 

얼마 전 프랑스 대체 에너지 및 원자력위원회 연구원들은

무려 460GPa에 압력을 가하면

중수소를 새로운 물질 상태로 만들 수가 있다는 사실을 발견했고

이를 피지컬 리뷰 레터스 저널에 발표했습니다.

 

연구팀은 중수소 샘플의 압력을 높이면서

전도성을 테스트했는데요.

무려 460GPa의 압력에서

중수소는 엄청나게 이상한 새로운 물질 상태가 되었고

이 물질은 금속처럼 전류가 흐르는 상태가 되었습니다.

심지어 웬만한 금속보다 훨씬 더 뛰어난 전도성을 보인 것이죠.

 

이전부터 양자역학적으로 초고압 상태에서

수소가 금속성을 띠게 될 것이라는 가설이 존재했습니다.

 

최근 많이 연구된 상온 초전도 현상은

모두 다 온도를 절대 영도에서 높인 대신에

압력을 극단적으로 높여서 달성이 가능했죠.

 

현재 이러한 현상이 일어나는 이유에 대한 가설은

양자역학 덕분이라는 것입니다.

 

물질의 밀도가 극단적으로 높아지면

원자 내에 전자가 양자터널링 현상으로 인해서

불연속적으로 이동을 하며

불연속적인 움직임 때문에 저항이 없어지면

초전도 현상이 된다는 것입니다.

 

전자가 a에서 b로 움직이는 게 아니라

양자도약으로 순간 이동을 하기 때문에

이동 과정에서 저항이 사라지는 것이죠.

 

예전에 채널에서 소개했지만

애초에 도체라고 하는 것은

양자역학 없이는 설명이 불가능합니다.

자유전자라고 하는 개념 자체가

양자역학의 양자도약이 있어야 가능한 개념이기 때문이죠.

 

마찬가지로 일반적인 물리 조건에서

중수소가 도체일 리가 없지만

무려 460GPa이라는 압력에서는

중심부에서 양자역학에서 관측이 불가능한

Coherence 상태(양자간섭 상태: 양자역학에서 관측(상호작용)이 없어서

파동성을 보이는 상태)가 되면서

양자터널링이 쉽게 일어난다는 것입니다.

 

이 연구는 오래전부터 진행이 되었는데

2020년에 80k의 온도와 425GPa의 압력에서

중수소의 전이 상태가 변하는 것을 처음 발견해서

이미 논문으로 발표한 적이 있었습니다.

 

그러다가 이번에는 460GPa이라는

엄청난 압력을 달성하면서

확실히 눈에 띄게 중수소가 금속성이 되는 것을 확인한 것이죠.

 

460GPa이 얼마나 어마어마한 압력인지

감이 안 잡히는 분들을 위해서 설명하자면

대략 지구 지표면 대기압의 무려 500만 배에 달하는 엄청난 압력입니다.

 

일반적으로 이런 압력은 보기 힘들지만

목성이나 토성 같은 거대 가스행성은

질량도 매우 크고, 중력도 매우 강하기 때문에

중심핵에서는 460GPa 이상의 높은 압력이

충분히 형성이 될 수가 있습니다.

 

결국 목성이나 토성의 중심핵에서는

거의 초전도체에 가까울 정도로 높은 전기 전도도를 가진

수소, 중수소 핵이 존재할 수가 있으며

특히 목성의 크기와 자전 속도를 고려한다면

다이나모 이론으로

목성의 자기장이 생기는 원인을 설명하는 것이 가능합니다.

 

결국 현재 목성의 자기장은

양자역학적인 효과에 의해서 생기는 현상인 것이죠.

 

이번 연구를 보며 개인적으로 흥미로웠던 것은

최신 양자역학과 초전도 연구, 그리고 목성의 자기장이 생기는 원인이

모두 다 맞닿아 있다는 것입니다.

 

초전도 현상이

관측하지 않으면 전자가 파동인 상태가 되는 Coherence 상태에서

전자가 파동 상태이기 때문에

입자가 아니어서 저항이 사라지는 것과 관련이 있다는 가설이 있는데

최근 연구에 의하면

이러한 가설이 힘을 얻고 있다는 것이죠.

 

거기다가 애초에 전류가 흐르는 도체라는 상태 자체가

양자역학 때문이고

그 말은 아무리 부도체인 물질이라고 하더라도

전자의 Coherence 상태를 유도할 수가 있다면

얼마든지 도체로 만들 수 있을지도 모른다는 것입니다.

 

최근에 양자컴퓨터나 초전도와 관련된 연구들이

굉장히 활발하게 이루어지고 있는데요.

앞으로 이런 것들에서 어떤 새로운 발견이 나오게 될지

정말로 궁금하네요.

그럼 이만.