수소 분자가 20개 미만일 때 초저온에서 초유체가 될 수 있다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-02-28 11:27:12
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- 헬륨-3 동위 원소와 같은 일부 물질은 절대 영도 바로 위의 온도에서도 초유체가 된다.
- 1972년 러시아 물리학자. 노벨상 수상한 비탈리 긴츠부르크(Vitaly Ginzburg) 예측
- 그는 절대 영도보다 약 1도 높은 온도에서 수소 분자가 초유체가 될 것이라고 가정
- 0.4 켈빈에서 분자 수소의 초유체 상이 존재한다는 강력한 실험적 증거 제공
초유동 상태에서는 물질이 모든 내부 마찰을 잃는다. 이로 인해 이러한 초유체는 위쪽으로 흐르고, 매우 빠른 소용돌이를 형성하며 가장 작은 틈도 침투할 수 있다. 그러나 이러한 특이한 양자 상태는 빅뱅 직후나 중성자별의 내부에서 발생하는 것과 같은 극단적인 조건에서만 발생한다. 헬륨-3 동위 원소와 같은 일부 물질은 절대 영도 바로 위의 온도에서도 초유체가 된다.
빙점 문제
하지만 모든 분자 중 가장 가벼운 분자 수소도 초유체가 될 수 있는지는 불분명했다. 1972년 러시아의 물리학자이자 후에 노벨상을 수상한 비탈리 긴츠부르크(Vitaly Ginzburg)는 이런 사실을 예측했다. 그는 절대 영도보다 약 1도 높은 온도에서 수소 분자가 초유체가 될 것이라고 가정했다. "이 전이 온도는 약 13.8 켈빈인 수소의 빙점보다 낮다"고 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 하츠키 오타니와 그의 동료들이 설명했다.
그러므로 수소는 초유체가 되기 전에 얼어붙는다. 실제로는 그렇다. 하지만 잠재적인 "허점"이 있다. 많은 물질은 대량으로 존재할 때보다 단지 몇 개의 분자로 구성된 그룹에서 나노 스케일에서 다르게 동작한다. 작은 수소 방울은 결정화되지 않고 충분히 냉각될 수 있다. 그러나 이전 실험에서는 수소가 실제로 이러한 미시적인 초유동성을 나타내는지에 대해 불확실한 결과가 제공되었다.
양파 원리를 이용한 실험
오타니와 그의 팀은 양파껍질 원리를 기반으로 새로운 접근법을 시도했다. 이를 위해 그들은 먼저 5~20개의 수소 분자로 이루어진 작은 그룹을 초저온 액체 헬륨 방울 속에 넣었다. 그런 다음 그들은 작은 수소 클러스터의 중심에 메탄 분자(CH4)를 주입했다. 물리학자들은 "메탄은 수소와 매우 약한 분자 간 상호 작용을 하기 때문에 이상적인 센서"라고 말한다.
여기서 요령은 레이저 펄스로 메탄 분자를 자극하면 회전하기 시작한다는 것이다. 주변 수소 분자의 저항이 낮을수록 회전 속도가 빨라진다. 수소가 초유체라면 메탄 분자는 우주에 자유롭게 떠다니며 방해받지 않는 것처럼 똑같은 속도로 회전해야 할 것이다. 이 실험에서 물리학자들은 물방울 구조를 0.4 켈빈까지 냉각시키고 분광학적 측정을 통해 중앙 메탄 분자의 회전 속도를 결정했다.
매우 유연할 거예요!
"우리는 작은 수소 물방울에서 놀라울 정도로 깨끗한 메탄 스펙트럼을 처음 포착했을 때 매우 기뻤다"고 오타니는 보고했다. 스펙트럼은 메탄 분자가 주변의 수소 분자와 독립적으로 회전한다는 것을 보여주었다. 오타니는 "이것은 수소의 초유동성을 강력히 시사하는 것"이라고 설명했다. 실험 결과, 클러스터에 수소 분자가 15~20개 들어있을 때마다 이러한 현상이 나타났다.
이번 결과는 50년 전 비탈리 긴츠부르크가 예측했던 내용을 확인해 준다. 즉, 수소는 대량으로는 초유체가 되지 않지만, 매우 작은 물방울로는 초유체가 된다. 물리학자들은 "우리의 연구는 0.4 켈빈에서 분자 수소의 초유체 상이 존재한다는 강력한 실험적 증거를 제공한다"고 기술했다. "이것은 분자 시스템의 양자 행동에 대한 우리의 이해에 있어서 중요한 진전을 나타냅니다."
(Science Advance, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adu1093)
출처: Science Advances, 브리티시 컬럼비아 대학교
- 헬륨-3 동위 원소와 같은 일부 물질은 절대 영도 바로 위의 온도에서도 초유체가 된다.
- 1972년 러시아 물리학자. 노벨상 수상한 비탈리 긴츠부르크(Vitaly Ginzburg) 예측
- 그는 절대 영도보다 약 1도 높은 온도에서 수소 분자가 초유체가 될 것이라고 가정
- 0.4 켈빈에서 분자 수소의 초유체 상이 존재한다는 강력한 실험적 증거 제공
수소는 초유체가 된다
실험으로 50년 된 이국적 수소 상태 이론 확인
50년 이상에 걸쳐 입증된 바에 따르면, 수소 분자는 극히 낮은 온도에서 이국적인 "초유동성" 상태에 진입할 수 있다. 즉, 마찰이 없는 액체가 된다. 이는 실험을 통해 처음으로 확인되었다. 지금까지 수소가 임계 온도에 도달하기 전에 얼기 때문에 초유체가 될 수 있는지는 불분명했다. 물리학자들이 "Science Advances"에 보고한 바와 같이, 수소 분자가 20개 미만인 매우 작은 물방울도 여전히 초유체가 될 수 있다.
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| ▲ 물 분자의 작은 덩어리는 매우 낮은 온도에서 초유동체가 된다. 즉, 마찰이 없는 양자 유체로 변다. © Susumu Kuma/ RIKEN |
초유동 상태에서는 물질이 모든 내부 마찰을 잃는다. 이로 인해 이러한 초유체는 위쪽으로 흐르고, 매우 빠른 소용돌이를 형성하며 가장 작은 틈도 침투할 수 있다. 그러나 이러한 특이한 양자 상태는 빅뱅 직후나 중성자별의 내부에서 발생하는 것과 같은 극단적인 조건에서만 발생한다. 헬륨-3 동위 원소와 같은 일부 물질은 절대 영도 바로 위의 온도에서도 초유체가 된다.
빙점 문제
하지만 모든 분자 중 가장 가벼운 분자 수소도 초유체가 될 수 있는지는 불분명했다. 1972년 러시아의 물리학자이자 후에 노벨상을 수상한 비탈리 긴츠부르크(Vitaly Ginzburg)는 이런 사실을 예측했다. 그는 절대 영도보다 약 1도 높은 온도에서 수소 분자가 초유체가 될 것이라고 가정했다. "이 전이 온도는 약 13.8 켈빈인 수소의 빙점보다 낮다"고 캐나다 브리티시 컬럼비아 대학의 하츠키 오타니와 그의 동료들이 설명했다.
그러므로 수소는 초유체가 되기 전에 얼어붙는다. 실제로는 그렇다. 하지만 잠재적인 "허점"이 있다. 많은 물질은 대량으로 존재할 때보다 단지 몇 개의 분자로 구성된 그룹에서 나노 스케일에서 다르게 동작한다. 작은 수소 방울은 결정화되지 않고 충분히 냉각될 수 있다. 그러나 이전 실험에서는 수소가 실제로 이러한 미시적인 초유동성을 나타내는지에 대해 불확실한 결과가 제공되었다.
양파 원리를 이용한 실험
오타니와 그의 팀은 양파껍질 원리를 기반으로 새로운 접근법을 시도했다. 이를 위해 그들은 먼저 5~20개의 수소 분자로 이루어진 작은 그룹을 초저온 액체 헬륨 방울 속에 넣었다. 그런 다음 그들은 작은 수소 클러스터의 중심에 메탄 분자(CH4)를 주입했다. 물리학자들은 "메탄은 수소와 매우 약한 분자 간 상호 작용을 하기 때문에 이상적인 센서"라고 말한다.
여기서 요령은 레이저 펄스로 메탄 분자를 자극하면 회전하기 시작한다는 것이다. 주변 수소 분자의 저항이 낮을수록 회전 속도가 빨라진다. 수소가 초유체라면 메탄 분자는 우주에 자유롭게 떠다니며 방해받지 않는 것처럼 똑같은 속도로 회전해야 할 것이다. 이 실험에서 물리학자들은 물방울 구조를 0.4 켈빈까지 냉각시키고 분광학적 측정을 통해 중앙 메탄 분자의 회전 속도를 결정했다.
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| ▲ 초유체 실험을 위한 실험 장치. © Chie Nakayama/ University of British Columbia |
매우 유연할 거예요!
"우리는 작은 수소 물방울에서 놀라울 정도로 깨끗한 메탄 스펙트럼을 처음 포착했을 때 매우 기뻤다"고 오타니는 보고했다. 스펙트럼은 메탄 분자가 주변의 수소 분자와 독립적으로 회전한다는 것을 보여주었다. 오타니는 "이것은 수소의 초유동성을 강력히 시사하는 것"이라고 설명했다. 실험 결과, 클러스터에 수소 분자가 15~20개 들어있을 때마다 이러한 현상이 나타났다.
이번 결과는 50년 전 비탈리 긴츠부르크가 예측했던 내용을 확인해 준다. 즉, 수소는 대량으로는 초유체가 되지 않지만, 매우 작은 물방울로는 초유체가 된다. 물리학자들은 "우리의 연구는 0.4 켈빈에서 분자 수소의 초유체 상이 존재한다는 강력한 실험적 증거를 제공한다"고 기술했다. "이것은 분자 시스템의 양자 행동에 대한 우리의 이해에 있어서 중요한 진전을 나타냅니다."
(Science Advance, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adu1093)
출처: Science Advances, 브리티시 컬럼비아 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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