로톤
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1. 개요
로톤은 1941년 레프 란다우가 제안한, 초유체 헬륨-II의 집단 여기를 설명하는 두 가지 기본 여기 중 하나이다. 란다우는 헬륨-II를 정상 유동 성분과 초유동 성분으로 구성된 이중유체 모델로 설명하며, 로톤은 포논과 함께 양자 유체의 여기를 나타낸다. 로톤 스펙트럼을 실험적으로 검증하기 위한 다양한 연구가 진행되었으며, 현재 로톤 스펙트럼을 설명하는 여러 모델이 존재한다. 로톤의 보즈-아인슈타인 응축 현상도 연구되었으며, 2018년 최초로 검출되었다.
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| 로톤 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 물리학 | |
| 종류 | 준입자 |
| 관련 현상 | 초유체 |
| 특징 | 낮은 에너지에서 포논과 같은 선형 분산 관계를 가짐 높은 에너지에서 로톤 최소값이라 불리는 최소 에너지 값 가짐 |
| 발견 | 레프 란다우 이삭 칼라트니코프 |
2. 역사
1941년 레프 란다우가 헬륨 II를 설명하기 위한 모델을 제시한 이후, 여러 과학자들이 이 모델을 검증하고 발전시키기 위한 실험들을 진행했다.[14][15] 1946년 안드로니카슈빌리는 란다우의 가정을 실험적으로 검증했고,[16][17] 1950년대 후반에는 리처드 파인만이 중성자 산란 실험을 통해 란다우의 가정이 옳다는 것을 확인했다.[18][19][15][20] 조 비넨(William Frank Vinen)은 실험을 통해 로톤이 각운동량을 운반한다는 것을 밝혀냈다.[21][22]
현재 로톤 스펙트럼을 설명하기 위한 다양한 모델들이 존재하며,[23][24] 헬륨의 로톤 스펙트럼 연구에는 마이크로파 분광법과 브래그 분광법이 사용되고 있다.[25]
2. 1. 란다우의 이론 (1941)
1941년, 레프 란다우는 헬륨 II를 설명하기 위해 액체의 거시적인 밀도와 속도 모두가 양자화되어 있다고 가정한 모델을 제안했다. 이 모델에서는 집단 여기의 분산 관계뿐만 아니라 비열도 유도되었고, 더 나아가 양자 액체의 유체역학 방정식도 유도할 수 있었다. 이 방정식에서는 제2음파의 존재가 예측되었다. 또한, 저온에서의 헬륨 II 상은 정상 유동 성분과 초유동 성분으로 구성된다는 이중유체 모델로 설명되었다. 초유동 성분의 비율은 온도에 의존하며, λ점에서 헬륨 II에서 헬륨 I로의 상전이 시에 소멸하여 정상 유동 성분만 남는다. 이 거시적인 이론의 결과로, 양자 유체 전반의 집단 여기는 포논과 로톤이라는 두 가지 기본 여기로 나뉘게 되었다. 로톤이라는 이름은 이고르 타뫄에 의해 명명되었다.[14][15]2. 2. 안드로니카슈빌리의 실험 (1946)
1946년, 란다우의 가정을 실험적으로 검증하기 위해 안드로니카슈빌리는 다음과 같은 실험을 진행했다. 먼저 두께 약 13um의 알루미늄 박을 0.2mm 간격으로 100번 감아 헬륨 II에 담갔다. 그리고 중앙을 와이어로 매달아 회전할 수 있도록 장치했다. 이 장치를 통해 매달린 알루미늄 박과 액체 헬륨은 안정적으로 운동량을 교환하고, 회전 운동에 영향을 미치게 되어 헬륨 II의 점성을 측정할 수 있었다. 실험 결과, 적절한 강도로 회전시켰을 때, 특정 최저 속도 이상에서는 초유동 성분이 먼저 움직이기 시작하는 것이 관찰되었다. 이 실험은 거시적인 스케일에서만 수행되었다.[16][17]2. 3. 파인만의 중성자 산란 실험 (1950년대 후반)
1950년대 후반, 리처드 파인만은 중성자 산란 실험을 제안하여 분산 관계를 조사했다. 이 실험 결과, 레프 란다우의 가정이 옳다는 것이 확인되었다.[18][19][15][20]2. 4. 조 비넨의 실험
조 비넨(William Frank Vinen)이 수행한 실험에 의해 거시적인 회전 운동이 양자화되어 있으며, 로톤이 각운동량을 운반하고 있다는 것이 밝혀졌다.[21][22]3. 모델
초기에는 로톤 스펙트럼이 1947년 레프 란다우(Lev Landau)에 의해 현상론적으로 도입되었다.[4] 현재 로톤 스펙트럼을 설명하려는, 다양한 성공률과 기본성을 가진 모델들이 존재한다.[5][6] 이러한 종류의 모델에 대한 요구사항은 스펙트럼 자체의 모양뿐만 아니라 음속과 초유체 헬륨-4의 구조 인자와 같은 다른 관련 관측 가능한 값들도 설명해야 한다는 것이다. 헬륨의 로톤 스펙트럼을 연구하기 위해 마이크로웨이브와 브래그 분광법이 수행되었다.[7]
헬륨 II의 기본 여기의 분산 관계에서 에너지는 원점 부근에서는 운동량의 증가에 따라 선형적으로 증가하지만, 극대값을 취한 후 감소로 바뀌고, 다시 극소값을 취한 후 다시 증가한다. 선형 영역의 운동량을 가진 여기는 포논(Phonon)이라고 불리며, 극소값에 가까운 영역의 여기가 로톤이라고 불린다. 한편, 극대값에 가까운 영역의 여기는 맥슨(Maxon)이라고도 불린다.
로톤의 보스-아인슈타인 응축이 연구되고 있지만, 발견되지 않았다.[13]
4. 보스-아인슈타인 응축
로톤의 준입자의 보스-아인슈타인 응축도 제안되어 연구되었다.[8] 최초 검출은 2018년에 보고되었다.[9] 특정 조건 하에서 로톤 최소값은 2019년 실험에서 보여진 바와 같이 초고체라 불리는 결정 고체와 같은 구조를 만든다.[10][11][12]
참조
[1]
논문
Nonlocal interaction engineering of 2D roton-like dispersion relations in acoustic and mechanical metamaterials
2022-05-24
[2]
논문
Roton-like acoustical dispersion relations in 3D metamaterials
2021-06-02
[3]
논문
Experimental observation of roton-like dispersion relations in metamaterials
2021-12-03
[4]
서적
On the theory of superfluidity of helium II
1947
[5]
논문
Fingerprinting Rotons in a Dipolar Condensate: Super-Poissonian Peak in the Atom-Number Fluctuations
2013-06-26
[6]
논문
Roton spectroscopy in a harmonically trapped dipolar Bose–Einstein condensate
2012-08-15
[7]
논문
Microwave Spectroscopy of Condensed Helium at the Roton Frequency
2009-11-04
[8]
논문
The role of the condensate in the existence of phonons and rotons
1993-12
[9]
논문
Observation of roton mode population in a dipolar quantum gas
2018
[10]
논문
Dipolar Quantum Gases go Supersolid
2019-04-03
[11]
웹사이트
Three teams independently show dipolar quantum gasses support state of supersolid properties
https://phys.org/new[...]
[12]
논문
Three-Dimensional Roton Excitations and Supersolid Formation in Rydberg-Excited Bose-Einstein Condensates
2010-05-11
[13]
논문
The role of the condensate in the existence of phonons and rotons
1993-12
[14]
간행물
The theory of superfluidity of helium II
https://books.google[...]
203
[15]
간행물
The Theory of Liquid 4He
http://www.pa.msu.ed[...]
2014-12-14
[16]
논문
1946
[17]
서적
Liquid Helium
https://books.google[...]
Cambridge University Press
2014
[18]
간행물
Superfluidity and Superconductivity
http://journals.aps.[...]
2014-12-14
[19]
서적
Solid-State Physics: Accomplishments and Future Prospects
https://books.google[...]
National Academies
1873
[20]
서적
Lehrbuch der Experimentalphysik: Band 5. Gase, Nanosysteme, Flüssigkeiten
https://books.google[...]
Walter de Gruyter
2005
[21]
간행물
Detection of Single Quanta of Circulation in Rotating Helium II
https://www.nature.c[...]
2014-12-14
[22]
간행물
The Detection of Single Quanta of Circulation in Liquid Helium II
http://rspa.royalsoc[...]
2014-12-14
[23]
논문
Fingerprinting Rotons in a Dipolar Condensate: Super-Poissonian Peak in the Atom-Number Fluctuations
2013-06-26
[24]
논문
Roton spectroscopy in a harmonically trapped dipolar Bose-Einstein condensate
2012-08-15
[25]
논문
Microwave Spectroscopy of Condensed Helium at the Roton Frequency
2009-11-04
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