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초고체

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목차

1. 개요

초고체는 입자가 규칙적으로 정렬된 구조를 가지면서도 점성 없이 흐르는 물질의 양자 상태이다. 액체 헬륨-4의 초유동 현상에서 영감을 얻어 초고체 연구가 시작되었으나, 1980년대의 실험들은 실패로 끝났다. 2004년 김은성과 모세스 찬은 고체 헬륨에서 초고체 거동으로 해석될 수 있는 현상을 관찰했지만, 이후의 연구에서는 헬륨의 탄성 특성 변화로 설명될 수 있다는 점이 밝혀지며 논란이 있었다. 2017년에는 극저온 양자 기체를 이용한 실험을 통해 초고체 특성을 가진 물질을 생성하는 데 성공했으며, 2019년에는 쌍극자 보스-아인슈타인 응축 실험을 통해 초고체 특성을 관찰했다. 초고체 이론은 빈 자리(공극)의 보스-아인슈타인 응축이나 초유동체 밀도 분포의 변조를 통해 설명된다.

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초고체
일반 정보
초고체의 개념도. 결정 구조(격자)와 초유동성의 공존을 보여준다.
초고체의 개념도. 결정 구조(격자)와 초유동성의 공존을 보여준다.
유형물질의 상태
발견1960년대 후반
예측G. V. 체스터(1970)
이론적 설명알렉산드르 안드레예프(1969)
실험적 증거2004년
상세 정보
설명고체의 특성과 초유체의 특성을 동시에 나타내는 물질의 상태
관련 현상보즈-아인슈타인 응축
특성결정 구조
초유동성
연구
주요 연구 그룹물리학자
응집물질물리학 연구자
이론
주요 이론양자역학
통계역학

2. 역사적 배경

초고체는 입자들이 강하게 결합하여 공간적으로 정렬된 구조를 형성하면서도, 점성 없이 흐르는 특별한 양자 상태이다. 이는 초유동 흐름이 유체 상태에서만 나타난다는 직관과 상반된다. 초유동 현상은 초전도 전자 및 중성자 유체, 보스-아인슈타인 응축을 가진 기체, 또는 충분히 낮은 온도에서의 헬륨-4나 헬륨-3과 같은 특이한 액체에서만 관찰된다. 따라서 50년 이상 동안 초고체 상태의 존재 가능성에 대한 의문이 제기되어 왔다.[3]

2. 1. 초유동 현상 발견

표트르 카피차, 존 F. 앨런, 돈 미세너는 액체 헬륨-4를 람다점이라는 특성 전이 온도 이하로 냉각했을 때 초유동 현상이 나타나는 것을 발견했다. 냉각된 금속 격자 내 전자 쌍(쿠퍼 쌍)의 초유동 운동은 초전도 현상의 배후 메커니즘이기도 하다.[21] 1970년 이전에는 초고체를 만들 수 있을 것이라는 추측이 있었다.[22]

2. 2. 초고체 이론 발전

1970년 이전에 헬륨-4를 이용해 초고체를 만들 수 있다는 추측이 제기되었다.[22]

대부분의 초고체 이론에서는 이상적인 결정 내에서 입자가 점유해야 할 빈자리가 절대 영도에서도 존재한다고 본다. 이러한 빈자리는 영점 에너지에 의해 발생하며, 파동처럼 위치를 이동한다. 빈자리는 보존되며, 매우 낮은 온도에서 빈자리 구름이 존재할 수 있다면 수십 분의 1 켈빈 이하 온도에서 빈자리의 보스-아인슈타인 응축이 일어날 수 있다. 코히어런트한 빈자리의 흐름은 반대 방향으로 입자의 "슈퍼플로우"(마찰 없는 흐름)에 해당한다. 빈자리 기체가 존재하더라도 결정의 질서 구조는 유지되지만, 각 격자 사이트의 입자 수는 평균 1개 미만이 된다.

3. 헬륨을 이용한 실험

1980년대에 여러 실험에서 부정적인 결과가 나왔지만, 존 굿카인드는 초음파를 사용하여 고체에서 처음으로 이상 현상을 발견했다.[4] 그의 관찰에 영감을 받아 2004년 김은성과 모세스 H. W. 찬은 펜실베이니아 주립 대학교에서 초고체 거동으로 해석되는 현상을 관찰했다.[5] 이들은 비고전적 회전 관성 모멘트를 가진 비틀림 진동자를 관찰했다.[6]

이 관찰은 결정 결함이나 헬륨-3 불순물이 수행하는 역할을 밝히기 위한 다수의 후속 연구를 촉발했다. 추가적인 실험은 헬륨에서 진정한 초고체의 존재에 대한 의문을 제기했다. 가장 중요한 것은 관찰된 현상이 헬륨의 탄성 특성 변화로 인해 상당 부분 설명될 수 있다는 것이 밝혀졌다.[7] 2012년, 찬은 그러한 기여를 제거하도록 설계된 새로운 장치로 자신의 원래 실험을 반복했지만, 초고체의 증거를 발견하지 못했다.[8]

헬륨 4의 융해압의 고정밀 측정에서는 고체 내의 상전이를 관찰할 수 없었다.[25]

2007년 이전에 많은 이론가들이 고체 헬륨 4 내에 영하 온도에서 공극이 존재하지 않음을 보여주는 계산을 수행했다. 몇 가지 논쟁이 있지만, 관찰된 실험이 초고체 상태였는지는 의심스럽다.

2009년, 광 격자 내에서 초고체를 실현하는 것이 제안되었다. 분자 양자 결정에서 시작하여, 초고체성은 비평형 상태로서 동적으로 유도된다. 인접한 분자의 파동 함수가 중첩되는 한편, 두 보존적 종은 유사 응축과 질량 불균형으로 안정화되는 장기 고체 질서를 동시에 나타낸다. 이 제안은 단순한 온사이트 상호 작용을 특징으로 하는 광 격자 내의 보손 혼합물을 사용한 현존하는 실험으로 실현할 수 있다.[26]

실험적, 이론적 연구가 초고체의 존재 문제를 최종적으로 해결하기를 기대하며 계속 진행되고 있다.

2017년, 취리히 연방 공과대학교와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 두 연구 그룹이 극저온 양자 기체를 사용하여 초고체를 최초로 제조했다고 보고했다. 취리히 그룹은 두 광 공진기 내부에 보스-아인슈타인 응축체를 배치하여, 이에 따라 자발적으로 결정화를 시작하고 보스-아인슈타인 응축체 고유의 초유동성을 유지하는 고체를 형성할 때까지 원자 상호 작용이 강화된다.[28][29] MIT 그룹은 보스-아인슈타인 응축체를 이중 우물 포텐셜 내에서 빛의 빔에 노출시켜 효과적인 스핀-궤도 결합을 만들어냈다. 두 스핀-궤도 결합이 생기고 있는 격자 위치상의 원자 간 간섭으로 인해, 초고체 특성을 갖는 줄무늬상을 확립하는 밀도 변조가 일어났다.[30][31]

3. 1. 초기 실험과 한계

1980년대에는 초고체 현상을 찾기 위한 여러 실험이 진행되었으나, 모두 부정적인 결과를 얻었다. 그럼에도 불구하고 존 굿카인드는 초음파를 사용하여 고체에서 이상 현상을 처음으로 발견하였다.[4]

3. 2. 존 굿카인드의 초음파 실험

존 굿카인드는 초음파를 사용하여 고체 헬륨에서 처음으로 이상 현상을 발견했다.[4] 그의 실험에 영감을 받아, 2004년 김은성과 모세스 H. W. 찬은 펜실베이니아 주립 대학교에서 초고체 거동으로 해석되는 현상을 관찰했다.[5] 이들은 비고전적 회전 관성 모멘트를 가진 비틀림 진동자를 관찰했는데,[6] 이는 고전적인 모델로는 설명할 수 없었지만, 진동자 내 헬륨 원자 일부가 초유체처럼 행동하는 것으로 설명되었다.

김은성과 찬의 실험은 결정 결함이나 헬륨-3 불순물의 역할을 밝히기 위한 후속 연구들을 촉발했다. 그러나 추가 실험들은 헬륨에서 진정한 초고체의 존재에 대한 의문을 제기했다. 관찰된 현상의 상당 부분이 헬륨의 탄성 특성 변화로 설명될 수 있다는 것이 밝혀졌다.[7] 2012년, 찬은 탄성 특성의 영향을 제거하도록 설계된 새로운 장치로 자신의 원래 실험을 반복했지만, 초고체의 증거를 발견하지 못했다.[8]

3. 3. 김은성과 모세스 찬의 실험

2004년 펜실베이니아 주립 대학교의 김은성과 모세스 H. W. 찬(Moses H. W. Chan)은 존 굿카인드의 초음파를 사용한 고체 내 이상 현상 발견에 영감을 받아,[4] 비고전적 회전 관성(NCRI)을 통해 초고체 현상으로 해석되는 현상을 관찰했다.[5]

김은성과 찬은 비틀림 진동자(torsional oscillator)를 사용했다. 이 실험에서 턴테이블은 스프링이 달린 축에 부착되어 한 방향으로 움직이면 진동한다. 고체 헬륨 4로 채워진 토로이드가 턴테이블에 부착되는데, 내부에 마찰이 없는 초유동체가 존재하면 토로이드와 함께 이동하는 질량이 줄어들어 더 빠른 속도로 진동한다. 이를 통해 다양한 온도에서 초유동체의 양을 측정할 수 있다. 김은성과 찬은 토로이드 내 물질의 약 2%가 초유동체임을 발견했으며, 최근 실험에서는 그 비율이 20%까지 증가했다.[24]

이 실험 결과는 고전적인 모델로는 설명할 수 없었지만, 진동자 내 소량의 헬륨 원자가 보이는 초유체와 유사한 거동과 일치했다.[6] 이는 새로운 양자 상태 물질 발견을 시사하는 중요한 결과였다.

그러나 이 발견은 결정 결함이나 헬륨-3 불순물의 역할에 대한 후속 연구를 촉발했다. 추가 실험들은 헬륨 내 진정한 초고체의 존재에 의문을 제기했다. 특히, 관찰된 현상이 헬륨의 탄성 특성 변화로 상당 부분 설명될 수 있다는 점이 밝혀졌다.[7] 2012년 찬은 이러한 기여를 제거하는 장치로 실험을 반복했지만, 초고체의 증거는 발견하지 못했다.[8]

3. 4. 찬의 후속 실험 (2012)

모세스 H. W. 찬(Moses H. W. Chan)은 2012년에 헬륨의 탄성 특성 변화로 인해 발생하는 기여를 제거하도록 설계된 새로운 장치로 자신의 원래 실험을 다시 수행했다. 이 실험에서 찬과 그의 공동 저자들은 초고체 현상의 증거를 발견하지 못했다.[8][27]

4. 극저온 양자 기체를 이용한 실험

극저온 양자 기체를 이용한 초고체 연구는 2010년대 후반부터 활발하게 진행되었다. 2017년 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)와 매사추세츠 공과대학교(MIT) 연구팀[9][10][11][12], 2019년 슈투트가르트, 피렌체, 인스브루크 연구팀[13][14][15], 2021년 이후 디스프로슘을 이용한 실험[17][18][19][20] 등이 대표적이다.

2021년 공동 양자 전기역학 실험에서는 고체의 핵심 특성인 진동을 갖는 초고체가 생성되었는데, 이는 16 cm/s의 음속을 나타내는 골드스톤 모드 분산을 가진 격자 음파를 가졌다는 점에서 주목할 만하다.[16]

4. 1. ETH 취리히와 MIT 연구팀의 실험 (2017)

2017년, 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)와 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 두 연구팀은 초저온 양자 기체를 이용하여 초고체 특성을 구현하는 데 성공했다. 취리히 연구팀은 보스-아인슈타인 응축(BEC)을 두 개의 광학 공진기 안에 넣어 원자 간 상호작용을 강화했다. 이를 통해 BEC는 자발적으로 결정화되어 고유의 초유동성을 유지하면서 고체 형태를 띠게 되었다.[9][10] 이는 외부에서 가해진 격자 구조에 원자가 고정되는 격자 초고체의 일종이다.

MIT 연구팀은 이중 우물 포텐셜 내의 BEC를 빛 빔에 노출시켜 유효한 스핀-궤도 상호 작용을 생성했다. 이 과정에서 두 스핀-궤도 결합 격자 위치에 있는 원자들 사이에 간섭이 발생하여 특징적인 밀도 변조가 나타났다.[11][12]

4. 2. 쌍극자 보스-아인슈타인 응축 실험 (2019)

2019년, 슈투트가르트, 피렌체, 인스브루크의 연구팀들은 란타넘족 원자로 형성된 쌍극자 보스-아인슈타인 응축(BEC)에서 초고체 특성을 관찰했다.[13] 이 시스템에서 초고체성은 외부 광학 격자 없이 원자 간 상호작용에서 직접 나타난다. 이는 초유동 흐름의 직접 관찰을 쉽게하여 초고체 상태 존재의 결정적 증거를 제공했다.[14][15]

4. 3. 기타 연구

2021년, 보스-아인슈타인 응축을 사용한 공초점 공동 양자 전기역학 실험을 통해 고체의 핵심 특성인 진동을 갖는 초고체가 생성되었다. 이 초고체는 16cm/s의 음속을 나타내는 골드스톤 모드 분산을 가진 격자 음파를 가졌다.[16]

2021년에는 디스프로슘을 이용해 2차원 초고체 양자 기체가 생성되었고,[17] 2022년에는 같은 연구팀이 둥근 트랩에서 초고체 디스크를 생성했으며,[18] 2024년에는 초고체 위상에서 양자 와동 관찰이 보고되었다.[19][20]

5. 이론

초고체는 입자가 강하고 공간적으로 정렬된 구조를 형성하지만, 점성 없이 흐르는 특별한 양자 상태이다. 이는 초유동 흐름이 유체 상태, 예를 들어 초전도 전자 및 중성자 유체, 보스-아인슈타인 응축을 가진 기체 또는 충분히 낮은 온도에서 헬륨-4나 헬륨-3과 같은 비전형적인 액체에만 존재하는 고유한 속성이라는 직관에 모순된다. 따라서 50년 이상 동안 초고체 상태가 존재할 수 있는지 불분명했다.[3]

초고체는 초유동체로부터 나타날 수도 있는데, 이 상황은 원자 보스-아인슈타인 응축 실험에서 실현되며, 이때 공간적으로 정렬된 구조는 초유동체 밀도 분포의 변조이다.

5. 1. 공극 기반 이론

대부분의 초고체 이론에서는 이상적인 결정에서 입자가 점유하는 빈 공간인 공극이 초고체성을 유발한다고 가정한다.[3] 이러한 공극은 영점 에너지에 의해 발생하며, 이는 또한 공극이 파동 형태로 사이트 간을 이동하도록 한다.[3] 공극은 보손이므로, 이러한 공극 구름이 매우 낮은 온도에서 존재할 수 있다면, 켈빈 온도 10분의 몇 도 미만에서 공극의 보스-아인슈타인 응축이 발생할 수 있다.[3] 공극의 일관된 흐름은 반대 방향으로 입자의 "초유동"(마찰 없는 흐름)과 동일하다.[3] 평균적으로 각 격자 위치에 1개 미만의 입자가 존재하지만, 공극 가스의 존재에도 불구하고 결정의 정렬된 구조는 유지된다.[3]

5. 2. 초유체 기반 이론

초고체는 입자가 강하고 공간적으로 정렬된 구조를 형성하지만, 점성 없이 흐르는 특별한 양자 상태이다. 이는 흐름, 특히 초유동 흐름이 유체 상태에서만 존재하는 고유한 속성이라는 직관에 모순된다.[3]

대부분의 초고체 이론에서는, 이상적인 결정에서 입자가 점유하는 빈 공간인 공극이 초고체성을 유발한다고 가정한다. 이러한 공극은 영점 에너지에 의해 발생하며, 이는 또한 공극이 파동 형태로 사이트 간을 이동하도록 한다. 공극은 보손이므로, 매우 낮은 온도에서 이러한 공극 구름이 존재할 수 있다면, 켈빈 온도 10분의 몇 도 미만에서 공극의 보스-아인슈타인 응축이 발생할 수 있다. 공극의 일관된 흐름은 반대 방향으로 입자의 "초유동"(마찰 없는 흐름)과 동일하다. 평균적으로 각 격자 위치에 1개 미만의 입자가 존재하지만, 공극 가스의 존재에도 불구하고 결정의 정렬된 구조는 유지된다. 또는 초고체는 초유동체로부터 나타날 수도 있다. 이 상황은 원자 보스-아인슈타인 응축 실험에서 실현되는데, 이때 공간적으로 정렬된 구조는 초유동체 밀도 분포의 변조이다.

참조

[1] 논문 Speculations on Bose–Einstein Condensation and Quantum Crystals 1970
[2] 논문 Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid 2019-04-03
[3] 논문 The enigma of supersolidity 2010-03
[4] 뉴스 The quantum solid that defies expectation http://physicsworld.[...] Physics World 2009-02-25
[5] 논문 Probable Observation of a Supersolid Helium Phase 2004
[6] 논문 Can a Solid Be "Superfluid"? 1970-11-30
[7] 논문 Low-temperature shear modulus changes in solid 4 He and connection to supersolidity 2007-12
[8] 논문 Focus: Supersolid Discoverer's New Experiments Show No Supersolid 2012-10-08
[9] 뉴스 Crystalline and liquid at the same time https://www.ethz.ch/[...] ETH Zurich 2018-01-18
[10] 논문 Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry 2017-03-01
[11] 뉴스 MIT researchers create new form of matter https://news.mit.edu[...] 2018-01-18
[12] 논문 A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates 2017-03-01
[13] 뉴스 Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid http://physics.aps.o[...] 2019-04-19
[14] 논문 The low-energy Goldstone mode in a trapped dipolar supersolid 2019-10
[15] 논문 Supersolid symmetry breaking from compressional oscillations in a dipolar quantum gas 2019-10
[16] 논문 An optical lattice with sound 2021
[17] 논문 Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas 2021-08
[18] 논문 Two-dimensional supersolidity in a circular trap 2022-05-13
[19] 논문 Observation of vortices in a dipolar supersolid https://www.nature.c[...] 2024
[20] 웹사이트 Physicists Spot Quantum Tornadoes Twirling in a ‘Supersolid’ https://www.quantama[...] 2024-11-28
[21] 논문 Glimpse of a new type of matter 2004-01-15
[22] 논문 Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals 1970
[23] 논문 Probable Observation of a Supersolid Helium Phase 2004
[24] 뉴스 The quantum solid that defies expectation https://physicsworld[...] Physics World 2018-05-18
[25] 논문 Absence of low-temperature anomaly on the melting curve of 4He http://www.jetplette[...] 2007
[26] 논문 Dynamical Creation of a Supersolid in Asymmetric Mixtures of Bosons http://www.optical-l[...] 2009
[27] 논문 Focus: Supersolid Discoverer’s New Experiments Show No Supersolid http://physics.aps.o[...] 2012-10-08
[28] 뉴스 Crystalline and liquid at the same time https://www.ethz.ch/[...] ETH Zurich 2018-01-18
[29] 논문 Supersolid formation in a quantum gas breaking a continuous translational symmetry https://www.nature.c[...] 2017-03-04
[30] 뉴스 MIT researchers create new form of matter http://news.mit.edu/[...] 2018-01-18
[31] 논문 A stripe phase with supersolid properties in spin–orbit-coupled Bose–Einstein condensates https://www.nature.c[...] 2017-03-04
[32] 논문 Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals 1970
[33] 논문 Viewpoint: Dipolar Quantum Gases go Supersolid https://physics.aps.[...] 2019-04-03


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