보스-아인슈타인 응축

3. 이론

보스-아인슈타인 응축은 보스 입자들이 따르는 보스-아인슈타인 통계에 의해 설명된다. 보스 입자는 정수 스핀을 가지며, 동일한 양자 상태를 여러 입자가 공유할 수 있다. 극저온에서 열적 드브로이 파장이 입자 간 거리보다 커지면, 입자들의 파동 함수가 겹치면서 거시적인 수의 입자가 최저 에너지 상태로 떨어진다.

1920년대에 사티엔드라 나트 보스의 통계역학적 연구를 알베르트 아인슈타인이 일반화하여 이 현상을 예측하였다. 보스와 아인슈타인이 연구한 보스 기체의 개념은 보존 입자의 통계적 분포를 기술하고 있다. 광자나 헬륨4와 같은 보존 입자는 서로의 양자 상태를 공유할 수 있다. 아인슈타인은 보존 입자를 매우 낮은 온도로 냉각시키면 전이 가능한 가장 낮은 양자 상태로 떨어져 새로운 물질의 상이 만들어질 것이라고 예측했다.

임계 온도 이하에서 보스-아인슈타인 응축이 발생하며, 균일한 3차원 기체의 경우 임계 온도($T_c$)는 다음과 같이 주어진다.

:$T\_c=\backslash left(\backslash frac\{n\}\{\backslash zeta(3/2)\}\backslash right)^\{2/3\}\backslash frac\{h^2\}\{2\backslash pi\; m\; k\_B\}$

보즈-아인슈타인 응축으로의 전이는 임계 온도 이하에서 발생하는데, 상호 작용하지 않는 입자로 구성된 균일한 3차원 기체의 경우 내부 자유도가 없는 입자에 대해 다음과 같이 주어진다.^[16]

:$$

T_\text{c} = \left(\frac{n}{\zeta(3/2)}\right)^{2/3} \frac{2\pi\hbar^2}{m k_\text{B}} \approx 3.3125\,\frac{\hbar^2 n^{2/3}}{m k_\text{B}},

위의 공식은 보즈 기체에서 보즈-아인슈타인 통계를 사용하여 기체의 축퇴를 찾음으로써 유도된다.

임계 온도는 밀도에 따라 달라진다. 위상 공간 밀도 $\backslash mathcal\{D\}=n\; \backslash lambda\_T^3$ 를 이용하면 더 간결하고 실험적으로 관련성이 있는^[17] 조건이 되는데, 여기서

:$\backslash lambda\_T=\backslash hbar\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{2\backslash pi\}\{m\; k\_\backslash text\{B\}\; T\}\}$

는 열 드브로이 파장이다. 이것은 무차원량이다. BEC로의 전이는 위상 공간 밀도가 임계값보다 클 때 발생한다.

:$\backslash mathcal\{D\}\_\backslash text\{c\}=\backslash zeta(3/2)$

3차원 균일 공간에서. 이것은 온도에 대한 위의 조건과 동일하다. 3차원 조화 포텐셜에서 임계값은

:$\backslash mathcal\{D\}\_\backslash text\{c\}=\backslash zeta(3)\backslash approx\; 1.202$^[18]

이다. 여기서 $n$은 최대 밀도로 이해되어야 한다.

그로스-피타예프스키 방정식은 약하게 상호작용하는 보스 기체의 응축 현상을 기술하는 비선형 슈뢰딩거 방정식이다.

상호작용하지 않는 ''N''개의 입자 집단을 생각할때, 각 입자는 두 개의 양자 상태 $|0\backslash rangle$와 $|1\backslash rangle$ 중 하나에 있을 수 있다. 두 상태의 에너지가 같다면, 각기 다른 모든 배열은 동일한 확률을 가진다.

어떤 입자가 어떤 입자인지 구별할 수 있다면, 각 입자가 $|0\backslash rangle$ 또는 $|1\backslash rangle$에 독립적으로 있을 수 있으므로 $2^N$개의 서로 다른 배열이 존재한다. 거의 모든 배열에서 약 절반의 입자가 $|0\backslash rangle$에, 나머지 절반이 $|1\backslash rangle$에 있다. 이러한 균형은 통계적 효과이다. 입자가 균등하게 나뉘어 있을 때 배열의 수가 가장 많다.

그러나 입자를 구별할 수 없다면, 서로 다른 배열은 $N+1$개만 존재한다. 상태 $|1\backslash rangle$에 $K$개의 입자가 있다면, 상태 $|0\backslash rangle$에는 $N-K$개의 입자가 있다. 어떤 특정 입자가 $|0\backslash rangle$ 상태인지 $|1\backslash rangle$ 상태인지 결정할 수 없으므로, $K$의 각 값은 전체 시스템에 대한 고유한 양자 상태를 결정한다.

이제 상태 $|1\backslash rangle$의 에너지가 상태 $|0\backslash rangle$의 에너지보다 $E$만큼 약간 더 크다고 가정하자. 온도 $T$에서 입자가 상태 $|1\backslash rangle$에 있을 확률은 $e^\{-E/kT\}$만큼 더 작다. 구별 가능한 경우, 입자 분포는 상태 $|0\backslash rangle$쪽으로 약간 치우친다. 그러나 구별 불가능한 경우, 숫자가 같도록 하는 통계적 압력이 없으므로, 가장 가능성이 높은 결과는 대부분의 입자가 상태 $|0\backslash rangle$로 붕괴된다는 것이다.

구별 가능한 경우, 큰 ''N''에 대해 상태 $|0\backslash rangle$에 있는 비율을 계산할 수 있다. 이것은 $\backslash exp\{(-E/T)\}$에 비례하는 확률로 동전을 던져 뒷면이 나올 확률과 같다.

구별 불가능한 경우, $K$의 각 값은 고유한 볼츠만 확률을 갖는 단일 상태이다. 따라서 확률 분포는 지수 함수이다.

:$\backslash ,$

P(K)= C e^{-KE/T} = C p^K.



큰 $N$에 대해 정규화 상수 $C$는 $1-p$이다. $N\backslash rightarrow\; \backslash infty$의 극한에서 가장 낮은 에너지 상태에 없는 입자의 예상 총 수는 다음과 같다.

: $\backslash sum\_\{n>0\}\; C\; n\; p^n=p/(1-p)$

''N''이 클 때 증가하지 않고 상수에 접근한다. 이것은 전체 입자 수의 무시할 수 있는 작은 부분일 것이다. 따라서 열평형 상태에 있는 충분한 수의 보즈 입자 집단은 에너지 차이가 아무리 작더라도 대부분 바닥 상태에 있고, 몇몇만이 들뜬 상태에 있을 것이다.

이제 서로 다른 운동량 상태 $|k\backslash rangle$에 있을 수 있는 입자 기체를 생각해 보자. 입자 수가 열적으로 접근 가능한 상태 수보다 적다면, 고온과 저밀도에서는 모든 입자가 서로 다른 상태에 있을 것이다. 이 극한에서 기체는 고전적이다. 밀도가 증가하거나 온도가 감소함에 따라 입자당 접근 가능한 상태 수가 줄어들고, 어떤 시점에서 통계적 가중치에 의해 허용되는 최대값보다 더 많은 입자가 단일 상태로 강제될 것이다. 이 시점부터 추가되는 모든 입자는 바닥 상태로 이동한다.

임의의 밀도에서 전이 온도를 계산하기 위해, 최대 들뜬 입자 수 $p/(1-p)$에 대한 식을 모든 운동량 상태에 대해 적분한다.

:$\backslash ,$

N = V \int {d^3k \over (2\pi)^3} {p(k)\over 1-p(k)} = V \int {d^3k \over (2\pi)^3} {1 \over e^{k^2\over 2mT}-1}

:$\backslash ,$

p(k)= e^{-k^2\over 2mT}.



차원 분석을 통해 $k\_B$와 $\backslash hbar$의 인자를 복원하여 적분(또한 보즈-아인슈타인 적분으로 알려짐)을 평가하면, 앞 절의 임계 온도 공식이 나온다. 따라서 이 적분은 무시할 수 있는 화학 퍼텐셜 $\backslash mu$의 조건에 해당하는 임계 온도와 입자 수를 정의한다. 보즈-아인슈타인 통계 분포에서 $\backslash mu$는 BEC에 대해 실제로 0이 아니다. 그러나 $\backslash mu$는 바닥 상태 에너지보다 작다. 바닥 상태에 대해 특별히 이야기하는 경우를 제외하고는 대부분의 에너지 또는 운동량 상태에 대해 $\backslash mu\; \backslash approx\; 0$로 근사할 수 있다.

니콜라이 보골류보프(Nikolay Bogoliubov)는 희박 기체의 극한에서 섭동을 고려하여,^[86] 영도에서 유한한 압력과 양의 화학 퍼텐셜을 발견했다. 이는 기저 상태에 대한 수정으로 이어진다. 보골류보프 상태의 압력($(T=0)$)은 $P\; =\; gn^2/2$이다.

원래의 상호 작용하는 계는 분산 관계를 갖는 비상호 작용 입자계로 변환될 수 있다.

가장 단순한 경우, 응축된 입자들의 상태는 비선형 슈뢰딩거 방정식, 즉 그로스-피타예프스키 방정식으로 기술될 수 있다. 이러한 접근 방식의 유효성은 실제로 초저온의 경우로 제한되는데, 이는 대부분의 알칼리 원자 실험에 적합하다.

이 접근 방식은 BEC의 상태가 응축체의 고유 파동 함수 $\backslash psi(\backslash vec\{r\})$로 기술될 수 있다는 가정에서 비롯된다. 이러한 종류의 계에서, $|\backslash psi(\backslash vec\{r\})|^2$는 입자 밀도로 해석되므로, 원자의 총 개수는 $N=\backslash int\; d\backslash vec\{r\}|\backslash psi(\backslash vec\{r\})|^2$이다.

본질적으로 모든 원자가 응축체에 존재한다고 가정하고(평균장 이론을 사용하여 보손을 처리하면), 상태 $\backslash psi(\backslash vec\{r\})$와 관련된 에너지(E)는 다음과 같다.

:$E=\backslash int$

d\vec{r}\left[\frac{\hbar^2}{2m}|\nabla\psi(\vec{r})|^2+V(\vec{r})|\psi(\vec{r})|^2+\frac{1}{2}U_0|\psi(\vec{r})|^4\right]

$\backslash psi(\backslash vec\{r\})$의 미소 변화에 대해 이 에너지를 최소화하고 원자 수를 일정하게 유지하면, 그로스-피타예프스키 방정식(GPE)(비선형 슈뢰딩거 방정식이기도 함)을 얻는다.

:$i\backslash hbar\backslash frac\{\backslash partial\; \backslash psi(\backslash vec\{r\})\}\{\backslash partial\; t\}\; =\; \backslash left(-\backslash frac\{\backslash hbar^2\backslash nabla^2\}\{2m\}+V(\backslash vec\{r\})+U\_0|\backslash psi(\backslash vec\{r\})|^2\backslash right)\backslash psi(\backslash vec\{r\})$

외부 포텐셜이 없는 경우, 상호 작용하는 보스-아인슈타인 응축 입자의 분산 법칙은 소위 보골리우보프 스펙트럼($\backslash \; T=\; 0$에 대해)에 의해 주어진다.

:$\{\backslash omega\; \_p\}\; =\; \backslash sqrt\; \{\backslash frac\}\backslash left(\; \{\backslash frac\}\; +\; 2\{U\_0\}\{n\_0\}\}\; \backslash right)\}$

그로스-피타예프스키 방정식(GPE)은 원자 BEC의 거동을 상대적으로 잘 설명한다. 그러나 GPE는 동역학 변수의 온도 의존성을 고려하지 않으므로 $\backslash \; T=\; 0$에 대해서만 유효하다. 예를 들어, 임계 온도가 상온과 비슷한 엑시톤, 마그논 및 광자의 응축체에는 적용할 수 없다.

• -|]]|thumb|보스 기체의 온도와 BEC의 관계

4. 실험적 구현

1995년 콜로라도주 볼더에 있는 국립표준연구소에서 에릭 코넬과 칼 와이먼이 루비듐 원자로 이루어진 기체를 170 나노켈빈(nK)까지 냉각시켜 보스-아인슈타인 응축물을 형성하는데 성공했다.^[1]

최초의 진정한 보스-아인슈타인 응축은 1995년 6월 5일 항공물리 공동연구소(JILA)에서 코넬, 와이먼과 동료 연구자들이 루비듐87 원자 약 2000개를 포함한 기체를 레이저 냉각(1997년 노벨 물리학상을 받은 기술)과 자기 증발 냉각 기술을 이용해 170nK까지 냉각시켜 만들었다. 넉 달 후 매사추세츠 공과대학교의 볼프강 케털리가 독립적으로 진행한 연구에서 나트륨23 원자를 냉각시켜 성공하였다. 케털리의 연구는 100배 더 많은 원자를 이용하여 두 개의 다른 응축 사이에 양자 간섭이 일어나는 것을 관찰하는 등 중요한 성과를 얻었다.

1995년 이후 많은 다른 원자 종이 응축되었으며, 분자, 폴라리톤, 기타 준입자 및 광자를 사용하여 BEC가 실현되었다.^[85]

중성 원자 기체의 실험에서는 일반적으로 레이저 냉각에 의한 예비 냉각, 자기 광학 트랩(Magneto-optical trap)에 의한 포획, 증발 냉각 과정을 거쳐 BEC가 실현된다. 알칼리 금속 원자는 상온, 상압에서는 고체 상태이기 때문에 가열하여 기체 상태로 만들어 원자선으로 실험 장치 내로 보내진다. 레이저 냉각에서는 기체 원자의 공명 주파수보다 약간 낮은 주파수의 레이저를 x축, y축, z축의 양과 음의 방향 모두에서 조사한다. 이때 기체 원자는 복사압에 의해 감속된다. 레이저 냉각에서 레이저는 기체 원자에게 마치 점성을 가진 당밀처럼 작용하므로, 광 당밀 상태(Optical molasses)라고 불린다. 레이저 냉각된 기체 원자는 원편광 레이저와 4중극 자기장으로 구성된 자기 광학 트랩에 포획된다. 특정 조건을 만족하는 원자^[111]에 대해서는 자기 광학 트랩 내에서 편광 기울기 냉각이 작용하여 더욱 냉각된다. 냉각의 최종 단계에서는 자기 트랩에서 운동 에너지가 큰 원자를 선택적으로 증발시키는 증발 냉각에 의해 BEC가 일어나는 전이 온도 이하에 도달한다.

1995년, 콜로라도 대학교의 에릭 코넬(Eric Cornell), 카를 와이만(Carl Wieman) 등은 루비듐-87(⁸⁷Rb) 원자를 냉각함으로써 처음으로 BEC를 실현했고, 같은 해 매사추세츠 공과대학교의 울프강 케터레(Wolfgang Ketterle) 등은 나트륨-23(²³Na) 원자로 BEC를 실현했다. 현재는 수소-1(¹H), 리튬-7(⁷Li), ²³Na, 칼륨-39(³⁹K), 칼륨-41(⁴¹K), 크롬-52(⁵²Cr), ⁸⁵Rb, ⁸⁷Rb, 세슘-133(¹³³Cs), 이터븀-170(¹⁷⁰Yb), 이터븀-174(¹⁷⁴Yb), 헬륨-4(⁴He)에서 BEC가 실현되고 있다.^[112]

5. 특이 성질

1938년, 표트르 카피차, 존 앨런과 돈 미세너는 헬륨-4가 2.17 K (람다점) 이하의 온도에서 초유체로 알려진 새로운 종류의 유체가 된다는 것을 발견했다.^[41] 초유체 헬륨은 에너지를 소모하지 않고 흐르는 영 점성과 양자화된 소용돌이의 존재 등 여러 특이한 성질을 보인다. 초유체 현상은 액체의 부분적인 보스-아인슈타인 응축 때문이라고 곧 밝혀졌다. 초유체 헬륨-4는 기체가 아니라 액체이므로 원자 간의 상호 작용이 비교적 강해, 보스-아인슈타인 응축 이론을 크게 수정해야 한다. 그러나 보즈-아인슈타인 응축은 헬륨-4의 초유체 성질에 여전히 근본적이다. 헬륨-3은 페르미온이며, 훨씬 더 낮은 온도에서 두 원자의 보손적인 쿠퍼쌍을 형성하여 초유체 상으로 전이된다 (페르미온 응축물 참조).

보스 기체의 초유동 현상과 강하게 상호 작용하는 페르미 기체(쿠퍼쌍 기체)의 초전도 현상은 보즈-아인슈타인 응축과 밀접하게 관련되어 있다. 상전이 온도 이하에서 이러한 현상은 헬륨-4와 여러 종류의 초전도체에서 관찰되었다. 이러한 의미에서 초전도는 종종 페르미 기체의 초유동이라고 불린다. 가장 간단한 형태로, 초유동의 기원은 약하게 상호 작용하는 보손 모형에서 확인할 수 있다.^[41]

보스-아인슈타인 응축체(BEC)에는 소용돌이가 존재할 수 있다.^[36] 예를 들어, 레이저로 응축체를 휘젓거나,^[37] 가두는 트랩을 회전시키거나,^[38] 상전이를 통해 빠르게 냉각하여^[39] 소용돌이를 생성할 수 있다. 생성된 소용돌이는 상호작용에 의해 결정되는 코어 모양을 가진 양자 소용돌이가 된다.^[40]

1차원 BEC에서는 어두운 솔리톤이 생성될 수 있다. 이러한 위상학적 물체는 절점면을 가로지르는 위상 기울기를 가지며, 이는 전파 및 상호 작용에서도 그 모양을 안정화시킨다. 솔리톤은 전하를 가지고 있지 않아 붕괴되기 쉽지만, 상대적으로 오래 지속되는 어두운 솔리톤이 광범위하게 생성되고 연구되었다.^[42]

1995년부터 2000년까지 라이스 대학교의 랜덜 훌렛(Randall Hulet) 연구팀은 인력 상호작용을 하는 리튬 응축물이 임계 원자 수까지 안정적으로 존재할 수 있음을 보였다. 기체를 급랭각시키면서 응축물이 성장한 다음, 인력이 가두는 퍼텐셜의 영점 에너지를 압도하여 초신성을 연상시키는 폭발(내파 후 폭발)로 붕괴되는 것을 관찰했다.^[19]

2000년 코넬, 와이먼 및 동료들의 JILA 팀은 인력 응축물에 대한 추가 연구를 수행했다. 이들은 음의 원자-원자 산란 길이를 갖는 루비듐-85의 자연적으로 인력이 작용하는 원자들을 사용했다. 스핀 플립 충돌을 일으키는 자기장 스윕을 포함하는 페슈바흐 공명을 통해 루비듐이 결합하는 특징적인 불연속 에너지를 낮추어, Rb-85 원자를 반발적으로 만들고 안정적인 응축물을 생성했다. 인력에서 반발력으로의 가역적인 변환은 파동과 같은 응축물 원자들 사이의 양자 간섭에서 비롯된다.^[19]

JILA 팀이 자기장 세기를 더 높였을 때, 응축물은 갑자기 인력으로 되돌아가 내파하여 검출할 수 없을 정도로 수축한 다음 폭발하여 약 10,000개의 원자 중 약 3분의 2를 방출했다. 응축물 내 원자의 약 절반은 차가운 잔류물이나 팽창하는 기체 구름에서 관찰되지 않고 실험에서 완전히 사라진 것처럼 보였다.^[19] 칼 와이먼(Carl Wieman)은 현재의 원자 이론으로는 절대 영도 근처에 있는 원자의 에너지 상태가 내파를 일으키기에 충분하지 않아야 하기 때문에 이러한 보즈-아인슈타인 응축의 특징을 설명할 수 없다고 설명했다. 그러나 후속 평균장 이론이 이를 설명하기 위해 제안되었다. 아마도 이들은 두 개의 루비듐 원자로 된 분자를 형성했을 것이며,^[94] 이 결합으로 얻은 에너지는 덫에서 검출되지 않고 빠져나갈 만큼 충분한 속도를 제공했을 것이다.^[19]

상전이 현상에서 전이 온도 이하에서 계의 대칭성이 깨지면 새로운 질서상이 나타난다. 이 질서상의 상태는 질서 변수로 기술된다. BEC에서는 '''응축체의 파동 함수'''라는 질서 변수를 사용할 수 있다. 응축체의 파동 함수는 고전적인 복소장이며, 그 진폭의 제곱은 응축 상태에 있는 입자 수 밀도를 제공한다. 또한, 그 위상은 다수의 입자가 갖는 코히어런스를 나타낸다. 위상의 공간 미분은 초유동 상태의 속도와 관련된다. 특정 위상 값을 갖는 것은 대역적 U(1)게이지 대칭성이 깨진 상태에 있음을 의미한다.^[121]

보스 입자인 헬륨-4(⁴He)에 의한 초유동 현상에서, 초유체 부분은 보스-아인슈타인 응축하고 있다고 생각된다. 액체 ⁴He의 입자 수 밀도와 ⁴He 원자의 질량을 이용하여 이상적인 보스 기체의 공식에서 BEC의 전이 온도를 구하면 3.1K가 되는데, 이는 람다 전이의 전이 온도(2.17K)에 가깝다. 그러나 액체 ⁴He에서는 입자 간 상호 작용이 강하여 이상적인 보스 기체로 볼 수 없다. 따라서 BEC 상태에 있는 입자 수는 전체 입자 수의 10% 정도에 불과하다는 것이 실험적으로 확인되었다.^[121]

BCS 이론으로 설명할 수 있는 초전도 현상에서는 전자쌍인 쿠퍼쌍을 보손으로 간주하여, 엄밀하게는 아니지만 보스-아인슈타인 응축이 일어나고 있다고 볼 수 있다. 쿠퍼쌍은 전자쌍이므로, 전자쌍 응축(단순히 쌍응축이라고도 함)이라고 부르기도 한다.^[121]

2020년 11월 도쿄대학과 교토대학의 공동 연구팀은 철 기반 초전도체 FeSe_0.79S_0.21에서 초전도 상태에 있는 전자를 직접 관측하여, 이 초전도체에서의 초전도가 쿠퍼쌍의 보스-아인슈타인 응축에 의해 발생하고 있다는 것을 확인했다고 발표했다.^[122] 극저온 초고분해능 레이저 각분해 광전자 분광 장치를 통해 에너지 밴드의 분산 관계를 관측한 결과, BCS 이론에 기반한 초전도 상태가 아니라, 보스-아인슈타인 응축을 기원으로 하는 초전도 상태에 해당하는 밴드 분산이라는 것이 확인되었다.^[122]

페르미온인 헬륨-3의 초유동은 초전도의 경우처럼 헬륨-3 원자의 쌍이 응축쌍을 만들어 응축 상태가 된다(초유동 참조). 또한, 페르미온인 중성자가 쌍을 이루기 때문에, 중성자별 내부에서도 유사한 현상이 일어날 가능성이 있다. 광자나 포논에서도 응축 현상을 생각할 수 있다.^[121]

6. 응용

레네 호(Lene Hau)가 이끄는 하버드 대학교(Harvard University) 연구팀은 1999년에 초유체를 이용하여 빛의 속도를 초당 약 17미터로 늦추는 데 성공했다.^[56] 이후 연구팀은 보스-아인슈타인 응축물을 이용하여 "느린 빛을 매개로 한 원자 물질파 증폭"을 시현했다. 이 방식은 응축된 원자들이 빛 펄스로부터 반동하여 빛의 위상과 진폭을 기록하고, 인근의 다른 응축물로 회복하는 것이다.^[95]

고정밀 원자 간섭계에 보스-아인슈타인 응축물의 특성을 활용하기 위한 연구도 진행 중이다. 2008년 독일 브레멘의 브레멘 낙하 타워(Fallturm Bremen)에서 하노버 라이프니츠 대학교(Leibniz University Hannover)의 어니스트 M. 라젤(Ernst M. Rasel)이 이끄는 연구진은 무중력 상태에서 BEC를 최초로 시연했다.^[57] 같은 연구팀은 2017년 우주에서 보스-아인슈타인 응축물을 최초로 생성하는 데 성공했으며,^[58] 이는 국제 우주 정거장(International Space Station)에서 진행될 두 개의 향후 실험 주제이기도 하다.^[59][60]

아톰트로닉스(atomtronics)라는 새로운 분야에서는 물질파 회로의 신흥 양자 기술에서 보스-아인슈타인 응축물의 특성을 활용한다.^[61][62]

1970년, 에마뉘엘 다비드 타넨바움(Emmanuel David Tannenbaum)은 반스텔스 기술(stealth technology)을 위해 BEC를 제안했다.^[63]

보스-아인슈타인 응축을 연구하기 위해서는 온도를 절대영도보다 약간 높은 수준까지 냉각해야 한다. 과학자들은 중력 유무에 따른 원자 거동 차이를 비교하기 위해 국제우주정거장(ISS)을 이용한 연구를 수행하기로 했다. 2018년 5월 ISS로 발사된 Cold Atom Laboratory(CAL)는 지상 시험에서 200nK을 달성했으며, ISS에서의 실험에서는 1pK에 도달할 예정이다. 이는 지금까지 우주에서 관측된 것 중 가장 낮은 온도가 될 것이며, 새로운 양자 현상 관찰이나 물리학의 가장 기본적인 법칙 검증을 가능하게 할 수 있다. 이 실험을 제안한 팀에는 3명의 노벨상 수상자가 포함되어 있다.^[123]

7. 최근 연구 동향

JILA와 MIT 연구팀의 초기 발견 이후 보스-아인슈타인 응축(BEC)에 대한 실험 및 이론적 연구가 활발하게 진행되었다.^[44][45] 다양한 동위원소를 이용한 BEC 생성,^[46] 간섭 현상 관찰,^[47] 초유체 및 양자화된 소용돌이 연구, 1차원 BEC에서의 밝은 물질파 솔리톤 생성, 전자기 유도 투명성을 이용한 빛 펄스 감속^[48] 등이 이루어졌다. BEC 소용돌이는 유사 중력 연구에도 활용되어 블랙홀 모델링 가능성을 탐구하고 있다.

또한, "광격자"를 이용한 초유체-모트 절연체 전이 연구,^[49] 저차원 BEC 현상 연구 (1차원 리브-리니거 모형, 2차원 베레진스키-코스터리츠-토울리스 전이)도 진행되었다. 얕은 1차원 광격자에 갇힌 강하게 상호작용하는 보손의 고정 전이 민감성 연구도 이루어졌다.^[50][51] 비균질 BEC의 소용돌이^[52] 및 이동하는 장애물에 의한 여기 현상^[53][54] 연구, 가두어진 BEC의 역학에서 질서와 혼돈 조건^[55] 연구도 진행되었다.

증발 냉각의 한계를 극복하기 위한 연속 BEC 구현 연구도 중요한 과제였다. 연속 BEC는 새로운 감지 응용 프로그램을 가능하게 할 수 있다. 2022년에는 strontium|스트론튬^영어 84()를 사용한 연속 BEC가 처음으로 달성되었다.^[72]

2020년에는 초전도 BEC 개발이 보고되었으며, BEC와 BCS 이론(Bardeen–Cooper–Shrieffer theory) 체제 사이에 "매끄러운 전이"가 있음이 밝혀졌다.^[73][74]

차가운 암흑 물질 액시온이 열화를 통해 BEC를 형성할 수 있다는 연구도 진행되었다.^[75] 액시온 암흑 물질 실험(Axion Dark Matter Experiment, ADMX)을 통해 액시온 탐색이 강화되고 있다.

2014년에는 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich)에서 잠재적 이중 중입자 d*(2380)이 검출되었다.^[76][77] 이 입자는 세 개의 업 쿼크(Up quark)와 세 개의 다운 쿼크(Down quark)로 구성된 육쿼크(hexaquark)로 추정되며,^[78][79] 초기 우주에서 BEC를 형성하여 암흑 물질처럼 행동할 수 있다고 이론화되었다.^[80][81][82]

8. 대중문화 속의 보스-아인슈타인 응축

• 2016년 영화 스펙트럴(Spectral)에서 미군은 보스-아인슈타인 응축물로 만들어진 정체불명의 적 생물체와 싸운다.^[83]
• 2003년 소설 블라인드 레이크(Blind Lake)에서는 과학자들이 보스-아인슈타인 응축물 기반 양자 컴퓨터를 이용한 망원경으로 51광년 떨어진 행성에서 지적 생명체를 관찰한다.
• 비디오 게임 시리즈 매스 이펙트(Mass Effect)에는 보스-아인슈타인 응축물로 채워져 있다고 설명하는 냉동 무기가 있다. 발사체가 충돌하면 파열되어 적에게 과냉각된 액체를 뿌린다.

참조

_[1] 서적 Quantum liquids: Bose condensation and Cooper pairing in condensed-matter systems Oxford University Press 2022
_[2] 논문 Quantentheorie des einatomigen idealen Gases https://www.uni-muen[...] 1924-07-10
_[3] 서적 The Indian Comet Princeton University Press
_[4] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 2001 https://www.nobelpri[...] 2001-10-09
_[5] 논문 Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese 1924
_[6] 웹사이트 Leiden University Einstein archive http://www.lorentz.l[...] Lorentz.leidenuniv.nl 2011-03-23
_[7] 논문 Quantentheorie des einatomigen idealen Gases 1925
_[8] 서적 Einstein: The Life and Times https://archive.org/[...] Avon Books
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