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저온에서 찾은 기적의 유체

모든 액체는 온도가 낮아지면 고체로 변합니다. 그러나 그렇지 않은 액체가 있습니다. 바로 액체 헬륨입니다. 액체 헬륨은 온도를 절대 영도까지 낮추어도 고체로 변하지 않고 액체 상태를 유지합니다. 또한 온도가 0 K에 가까운 액체 헬륨에서는 특이한 성질이 나타납니다. 이 특이한 성질을 가지고 있기에, 이러한 유체를 초유체라고 부릅니다.


특이한 성질을 지니는 초유체

왜 얼지 않을까?

초유체 현상을 알아보기에 앞서, 왜 액체 헬륨이 극저온에서도 얼지 않는지에 대해 알아봅시다. 모든 양자 시스템은 영점 에너지 (Zero-point Energy)를 가집니다. 양자역학의 불확정성 원리에 의해 모든 양자 시스템은 바닥 상태에서도 계속해서 양자 요동을 가지는데, 이 운동을 영점 운동 (Zero-point Motion) 또한 하게 됩니다. 헬륨 원자는 가볍기 때문에 영점 운동의 요동이 크지만, 원자간 상호작용이 약하여 영점 운동이 구속되지 않습니다. 그렇기에 매우 낮은 온도에서도 헬륨 원자의 영점 운동이 나타나 헬륨이 고체가 아닌 액체 상태로 존재되도록 만드는 것입니다. 액체 헬륨을 고체화하기 위해 압력을 매우 높여야 하는 것도 이 영점 운동을 억제하기 위해서입니다.

초유체의 발견

액체 헬륨의 온도를 저온에서 더욱 낮추면, 2.2K 부근에서 특이한 현상을 발견할 수 있습니다. 이 현상을 발견한 사람은 초전도 현상의 발견자이자 저온 물리학의 선구자인 헤이케 카메를링 오네스 (Heike Kamerlingh Onnes) 인데, 오네스는 2.2K 부근에서 밀도, 비열, 유전율 등 액체 헬륨의 물리적 특성이 급격히 변화하는 것을 확인하였습니다.

Lambda point 부근에서의 액체 헬륨의 비열 그래프

위의 그림에서 볼 수 있듯, 비열이 Lambda의 형태로 분포되어있는 것을 볼 수 있기에 이 2.2K를 Lambda point라고 부릅니다. 이 Lambda Point 부근에서의 비열을 표현하는 이론적 공식과 실험적 결과의 상수 불일치는 물리학의 난제로 남아 있기도 합니다.

어쨌든 2.2K 에서 액체 헬륨이 성질의 변화를 가진다는 것이 밝혀졌고, 그렇기에 Lambda point보다 고온의 헬륨을 Helium I, 저온의 헬륨을 Helium II 라는 상으로 부릅니다.


초유체에서의 크리프 현상

헬륨 II가 초유체라는 것이 밝혀진 것은 표트르 카피차 (Pyotr Kapitsa)의 연구 덕 이었습니다. 헬륨II를 모세관에 담았을 경우, 초유체가 모세관을 타고 모두 빠져 나오는 크리프 (creep) 현상을 발견한 것입니다. 이를 통해 카피차는 헬륨II는 점성을 띄지 않는다는 것을 밝혀냈고, 이를 초유체 (Superfluid)라 이름 붙입니다. 카피차는 이러한 초유체의 발견을 공로로 노벨 물리학상을 수상하기도 합니다.

보스-아인슈타인 응축

헬륨 원자는 0의 스핀을 가지는 보손 (Boson) 입자 인데, 페르미온과 달리 보손은 파울리의 배타 원리를 따르지 않습니다. 여러 보손 입자로 구성된 물질이 냉각되면, 특정 온도에서 고에너지의 보손 입자들이 순식간에 바닥상태로 모이게 됩니다. 이 이론을 보스-아인슈타인 응축이라고 하는데, 극저온에서는 여러 원자들이 마치 하나의 원자처럼 행동하는 현상을 말합니다. 보스-아인슈타인 응축이 초유체를 만들어낸 것이 맞다면, 파동 함수 하나로 초유체의 운동을 기술할 수 있어야 합니다. 파동 함수 한 개로 유체의 운동을 기술하면 나타나는 현상이 양자 소용돌이 현상으로, 액체의 회전이 양자화되는 것입니다. 초유체의 양자 소용돌이를 구체적으로 예상한 사람은 바로 그 유명한 리처드 파인만 (Richard Feynmann)이었습니다. 추후 UC 버클리의 연구진이 양자 소용돌이 현상을 실험적으로 확인하면서 초유체가 보스-아인슈타인 응축에 의한 것이었다는 것을 확인되었습니다.


초유체 연구의 발전

초유체의 연구는 여기에서 그치지 않았습니다. 헬륨 4가 아닌 헬륨 3에서의 초유체가 발견되면서 페리미온 초유체의 존재 역시 확인되었습니다. 루비듐 초유체 역시 발견되었으며 음의 질량 등의 다양한 연구에 사용되고 있습니다. 2010년에는 중성자별의 내부가 초유체로 구성되어있다는 것이 찬드라 엑스선 관측선에 의해 확인되기도 하였습니다. 고체 상태에서의 초유체 역시 가능하다는 국내 연구 또한 발표되었습니다. 이렇듯 초유체에 관한 연구는 지금도 저온 물리학의 핵심으로 연구되고 있으며 여전히 연구될 여지가 무궁무진합니다.

 

전진협 학생기자 | Physics & Earth Sci. | 지식더하기


참고자료

[1] Horizon.kias.re.kr

[2] Terms.naver.com

[3] Wikipedia.org


첨부한 이미지 출처

[1] Wikimedia

[2] Wikipedia


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