(Rice University physicists reported the first laser-cooled neutral plasma, a breakthrough that could lead to simulators for exotic states of matter that occur at the center of Jupiter or white dwarf stars. (Photo by Brandon Martin/Rice University) Credit: Brandon Martin/Rice University)
물질은 저온 상태에서 고온 상태와는 매우 다른 특징을 지닐 수 있습니다. 저항이 사라지는 초전도 현상 같은 경우가 대표적입니다. 따라서 과학자들은 물질의 온도를 계속해서 낮춰 여러 가지 실험을 진행하고 있습니다. 이전에도 몇 가지 실험을 소개한 바 있습니다.
라이스 대학의 톰 킬리언 교수 (Tom Killian, professor of physics and astronomy)이 이끄는 연구팀은 절대 영도에 가까운 극저온 플라스마 이온을 만드는데 성공해 이를 저널 사이언스에 발표했습니다. 절대 영도에 가까워질수록 온도를 낮추는 더 어려워지는데, 원자가 지닌 극히 적은 양의 에너지를 뺏어야 하기 때문입니다. 하지만 이번 연구에서 놀라운 점은 본래 고온 상태의 물질인 플라스마를 극저온 상태로 만들었다는 것입니다.
플라스마(plasma)는 고체, 액체, 기체에 이은 물질의 4번째 상태로 높은 온도에서 원자핵과 전자가 분리되어 자유롭게 움직이는 상태를 의미합니다. 지구에는 흔하지 않지만, 사실 우주에서 가장 흔한 물질의 상태로 별을 이루고 있는 가스가 대부분 이런 상태라고 할 수 있습니다. 연구팀은 이 플라스마를 절대 영도에 가까운 상태로 만들기 위해서 플라스마를 급팽창시키면서 레이저를 이용해서 플라스마의 움직임을 없앴습니다.
플라스마 역시 기체와 비슷한 성질을 지니고 있어 팽창하면 온도가 내려갑니다. 이런 원리로 우주에서 급격하게 팽창하는 가스는 온도가 거의 절대 영도까지 떨어지게 됩니다. 하지만 여기서 더 온도를 낮추기 위해서는 특별한 기술이 필요합니다. 냉장고나 에어컨처럼 전통적인 냉매를 이용한 방식은 사용할 수 없기 때문에 과학자들은 1990년 대 레이저를 이용해서 원자의 움직임을 막는 기술을 개발했습니다. 연구팀은 플라스마에 이 기술을 적용해 거의 움직임이 없는 강결합 'strong coupling' 상태의 플라스마를 만들었습니다.
이런 특수한 상태의 플라스마는 지구에서는 볼 수 없지만, 백색왜성의 내부나 혹은 목성 같은 거대 가스 행성의 중심부에서는 강한 압력으로 인해 높은 온도에서도 발생한다고 보고 있습니다. 따라서 이번 연구를 통해 백색왜성이나 목성 중심부에서 발생하는 플라스마의 형태를 연구할 수 있습니다.
(동영상)
원자가 아닌 플라스마 상태에서 레이저 쿨링을 이용하는 것이 실용적으로는 어떤 의미가 있을지는 아직 모릅니다. 하지만 과학기술의 발전은 종종 예상치 못한 방향에서 혁신을 이루곤 합니다. 당장에는 기초 연구 이외에 어떤 실용성이 없을지도 모르지만, 앞으로 혁신적인 결과를 낳을지도 모른다고 생각합니다.
참고
"Laser cooling of ions in a neutral plasma" Science (2019). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aat3158
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