보스-아인슈타인 응집
1. 개요
보스-아인슈타인 응집
Bose-Einstein Condensation
미시물리학적인 지식이 거시물리학적인 형태로 나타나는 유일한 상황이라고 할 수 있다. 소텐드로나트 보수(সত্যেন্দ্রনাথ বসু, Satyendranath Bose, 사티엔드라나트 보스)가 예측하고 알베르트 아인슈타인이 일반화한 새로운 물질의 상이다.
2. 상세
소립자는 크게 페르미온과 보손으로 분류할 수 있는데, 서로 같은 페르미온은 같은 양자 상태를 가질 수 없지만 보손은 가질 수 있다는 차이점이 있다. 보스-아인슈타인 응축은 보손에서만 일어난다. 보손은 1,2와 같은 정수 스핀을 갖지만, 페르미온은 1/2, 3/2와 같은 반정수 스핀을 갖는다.
간단하게 설명하면, 어떤 물질의 온도를 정말 극단적으로 낮추면(0K에 거의 근접해야 한다.) 그 입자들은 낮은 에너지를 갖는 양자 상태밖에 가질 수 없게 된다. 이때 보손의 경우, 바닥 상태가 가장 에너지가 낮은 상태이므로, 대부분의 입자가 바닥 상태까지 떨어지고, 따라서 물질을 이루던 대부분의 입자가 바닥 상태에 놓이게 된다. 이것을 보스-아인슈타인 응축(BEC)이라고 한다. ⁴He의 초유체현상도 BEC와 깊은 연관이 있다.(원자 간의 인력이 비교적 강하기 때문에 보스-아인슈타인 응축 그 자체로 보기에는 무리가 있다.) 최근 음의 '''유효'''질량을 가진 물질을 만들어냈는데, 이 상태의 루비듐 입자에 레이저를 쏴서 만들어냈다고 한다.[1]
놀랍게도 최근 연구결과에 의하면 반도체 내의 엑시톤-폴라리톤은 상온에서 BEC를 이룰 수 있다고 한다. 엑시톤-폴라리톤은 반도체 안에 형성된 엑시톤(전자와 정공이 결합된 준입자)과 공진기 안에 있는 광자의 강한 상호작용의 결과로 생긴 제3의 보즈 준입자인데, 광자의 질량이 매우 작기 때문에 엑시톤-폴라리톤의 유효질량도 엑시톤에 비해 상당히 작아질 수 있어서 BEC 현상이 일어나는 임계 온도가 높아질 수 있다고 한다.
반대로, 페르미온의 경우 파울리의 배타 원리를 만족시켜야 하기 때문에 낮은 에너지 상태를 갖는 입자가 있을 경우 낮은 에너지 상태로 가지 못하고 높은 에너지 상태로 남아있는 입자가 존재하게 된다. 이 상태를 페르미 축퇴라고 하며, 이 상태의 페르미온들은 서로 반발하여 축퇴압을 갖게 된다.
넷플릭스 오리지널 영화 고스트 워(원제: 스펙트럴)에서 이 효과를 이용한 병기가 등장한다[스포일러].
한정된 조건 하에서 해당 상태를 구현하려는 시도가 계속되고 있으며, 2020년에는 ISS에서 구현하는 데 성공했다고 한다.
3. 페르미온 응집
Fermionic condensate
페르미온 응집은 보스-아인슈타인 응집과 밀접한 관계가 있다. 위 문단에서 페르미온은 반정수 스핀을 갖고, 보손은 정수 스핀을 갖는다고 하였다. 그러므로 간단하게 말해서, '''페르미온 둘이 모이면 보손이 된다.''' 실제로 극도로 냉각할 경우 페르미온 입자 두개가 쌍을 이루어(쿠퍼 쌍) 보손처럼 행동할 수가 있다. 저온 초전도체가 이에 밀접한 관련이 있다. 대표적인 페르미온인 전자 둘이 낮은 온도에서 쿠퍼쌍을 이루고, 이 쿠퍼쌍들이 보스-아인슈타인 응집을 일으켜 초전도체가 가지는 특성을 나타내게 된다. ³He의 초유체 현상도 페르미온 응집이 된다.
[1] 기사의 설명이 틀렸는데 음의 질량을 가진 물질을 만든게 절대로 아니다. 실제 질량은 양의 질량이 맞지만 몇가지 부분에서 마치 음의 질량을 가진 것처럼 운동하는 물질을 만들었다는 소리다. 당연히 실제 질량은 양의 값이니 중력이 반대로 작용하지도 않고 다른 물질을 밀어내지도 않는다.[스포일러] 작중에서 미군 병사들을 학살하던 유령 형상이 바로 이 효과를 이용한 에너지 병기였다.