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역대 가장 낮은 온도 - 38 피코켈빈 달성



 (The new 3D collimation technique begins by inducing a collective mode oscillation in the Bose-Einstein condensate (BEC) due to atomic interactions (top). The BEC is released once it has collapsed around its axis (right), leading to a reduced expansion along that same axis (red arrows). To reduce the expansion in the other two dimensions, a cylindrical magnetic lens (qualitatively shown in green) is applied after 80 ms, when the interaction energy has been converted into kinetic energy. Full 3D collimation is observed after free fall via absorption imaging of the BEC (bottom). For comparison, 2D collimation (no induced oscillations but only magnetic lens) is shown on the left. Credit: APS/Alan Stonebraker, via Physics)




 독일과 프랑스의 과학자들이 역대 가장 낮은 온도인 38 피코켈빈 (picokelvin, 1피코켈빈은 10^−12켈빈)의 온도를 달성하는데 성공했다는 소식입니다. 온도가 낮다는 것은 결국 물체가 지닌 에너지가 낮다는 뜻인데, 아무리 낮춰도 절대 영도에는 도달이 어려운 만큼 결국 절대 영도에 얼마나 가까이 낮추느냐가 관건입니다. 과학자들은 여러 가지 방법을 다 동원한 끝에 1조분의 1켈빈인 피코켈빈 단위까지 에너지를 빼앗는데 성공했습니다. 



 이렇게 에너지를 낮추는 것이 어떤 의미가 있느지 궁금할 수도 있지만, 사실 이런 극저온 상태에서는 일반적으로 관찰할 수 없는 물리적 현상이 일어나 과학적으로 상당한 가치가 있습니다. 예를 들어 초전도 현상 역시 절대 영도에 가깝게 온도를 낮춰보기 전에는 전혀 알 수 없던 일이었습니다. 액체 헬륨의 경우 절대온도에 가깝게 낮추면 고체가 되는 대신 초유체(superfluid)가 됩니다. 



 초유체 상태가되면 보스∙아인슈타인 통계를 따라 양자역학에서 허용되는 가장 낮은 에너지 상태에 모든 입자들이 존재하고 있어서 엔트로피가 0 이고 운동에 저항이 없는 유체가 됩니다. 따라서 점성이 없어 한 번 회전시키면 영원히 마찰 없이 회전할 수 있습니다. 



 초유체: https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5937617&cid=60217&categoryId=60217



 여기서부터 더 설명이 어려운데 아무튼 연구팀은 양자 가스 렌즈 (quantum gas lens)와 브레멘에 있는 122m 드롭 타워 (Drop Tower)를 이용해 루비듐 (rubidium) 원자 가스 구름을 보스 아인슈티인 응축 Bose-Einstein condensate (BCE) 상태로 만든 후 더 극단적으로 온도를 낮춰 이 기록을 달성했습니다. 연구팀은 더 낮은 온도도 달성 가능할 것으로 보고 있습니다. 



 세부적인 내용은 사실 비전공자로써 이해가 어려운 물리학적 내용이지만, 현대 과학이 얼마나 극한까지 발전했는지를 보여주는 연구 결과라고 생각합니다. 



 참고 



https://phys.org/news/2021-10-coldest-temperature38-picokelvins.html



Christian Deppner et al, Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100401


Vincenzo Tamma, 3D Collimation of Matter Waves, Physics (2021). DOI: 10.1103/Physics.14.119
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