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초유체

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목차

1. 개요

초유체는 점성이 0인 유체로, 특이한 현상을 보인다. 대표적으로 크리프 현상이 있으며, 양자 소용돌이가 발생한다. 1937년 표트르 카피차와 존 F. 앨런, 돈 미제너에 의해 독립적으로 발견되었으며, 헬륨-4, 헬륨-3, 초전도체, 중성자별 등 다양한 물질에서 나타난다. 란다우 조건과 그로스-피타옙스키 방정식과 같은 이론적 모형으로 설명되며, 초유체 진공 이론은 양자 역학과 중력을 통합하려는 시도로 연구되고 있다.

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초유체
개요
좁은 통로를 통과한 후 스스로 위로 솟아오르는 액체 헬륨
좁은 통로를 통과한 후 스스로 위로 솟아오르는 액체 헬륨
설명점성이 없는 액체 상태
성질
관련 입자보손
상전이람다점 이하
관련 현상양자 효과
거시적 점유보스-아인슈타인 응축
점성0 (이상적)
열전도율매우 높음
연구 역사
발견1937년
발견자표트르 카피차
존 F. 앨런
돈 미저
노벨 물리학상표트르 카피차 (1978년)
관련 물질
예시헬륨-4 (극저온에서)
헬륨-3 (극저온에서)
일부 초전도체
중성자별
보스-아인슈타인 응축 기체
상세 설명
정의점성 없이 흐르는 유체
특징운동 에너지 손실 없이 흐름
설명특정 물질이 절대 영도에 가까운 극저온에서 보이는 특이한 양자역학적 현상
마찰 없이 영구적으로 흐르는 현상
추가 정보
관련 용어초유동체

2. 성질

헬륨-4는 영점 진동 효과로 인해 저온에서 액화되어도 절대 영도에 도달할 때까지 액체 상태로 존재하며, 고체가 되지 않는다. 2.17K에서 비열의 급격한 변화가 나타나 2차 상전이를 일으켜 초유동 상태가 된다. 이 전이 온도를 λ점이라고 한다[19]。

초유동 상태에서 헬륨-4는 점성이 0인 상태(He II상)가 되며, 매우 높은 열 전도성을 보인다. 다만, 유한 온도 영역에서는 일반 유체(일반적인 액체의 성질을 나타냄: He I상)와 초유체(점성 제로: He II상)가 공존한다(이중 유체 이론). 초유체 상태에서는 보스 입자인 헬륨-4가 보스-아인슈타인 응축을 한다.

프리츠 런던은 1938년에 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여 이론값 3.13K를 도출했다. 이는 실험 관측값 2.17K에 가깝지만, 실제 헬륨-4는 액체 상태이고 원자 간 상호작용이 존재하여 차이가 발생한다.

헬륨-3은 헬륨-4와 달리 페르미온이기 때문에 1972년에 발견되기 전까지 초유동 현상은 관측되지 않았다. 헬륨-3이 초유동이 되기 위해서는 2개의 헬륨-3이 쌍을 이루어 쌍응축할 필요가 있다.

2. 1. 크리프

헬륨-4와 같은 초유체는 표면을 따라 흘러나가는 크리프(creep) 현상을 보인다.
헬륨-4와 같은 초유체는 표면을 따라서 흘러나가는 크리프 현상을 보인다.


초유체는 점성이 0인 유체이다. 이에 따라, 초유체는 매우 특이한 모세관 현상을 보인다. 모세관 현상은 액체와 용기 표면 사이의 인력이 액체에 작용하는 중력 및 액체 내부의 점성보다 더 강할 때 일어나는 현상이다. 일반적인 유체의 경우는 점성으로 인해 이는 매우 가는 관에서만 일어나지만, 초유체의 경우 점성이 없으므로 표준적인 중력에서는 거의 모든 표면을 타고 흘러나갈 수 있다. 예를 들어, 초유체를 밀봉하지 않고 열린 용기에 보관할 경우, 초유체는 열린 구멍을 따라 바깥으로 새어나간다. 이러한 현상을 '''크리프'''(creep영어)라고 한다.

2. 2. 양자 소용돌이

초유체 속에서는 점성이 없으므로, 유체 속에서 발생하는 소용돌이는 그 에너지가 분산되지 않아 안정하게 존재할 수 있다. 이 경우, 소용돌이의 회전 속도는 각운동량의 양자화에 의해 양자화된다.

:\oint\mathbf v\cdot d\mathbf l\in\frac{2\pi\hbar}m\mathbb Z

여기서 m은 초유체를 구성하는 입자(헬륨-4 원자 등)의 질량이다.[1]

3. 초유체의 예

헬륨-3은 페르미온(1/2의 핵 스핀을 가짐)이기 때문에, 1972년 오셰로프, 리처드슨, 리 등이 발견하기 전까지 초유동 현상은 관측되지 않았다.

헬륨-3에서 초유동으로 전이하는 온도는 34기압에서 2.6mK, 0기압에서 대략 1mK로, 헬륨-4에 비해 매우 낮다. 이는 헬륨-3이 페르미온이고, 그대로는 응축 상태가 되지 않기 때문이다. 헬륨-3이 초유동이 되기 위해서는 초전도처럼 2개의 헬륨-3이 쌍(쿠퍼 쌍)을 이루어 쌍응축해야 한다. 초전도와 다른 점은, 통상적인 BCS 이론에서 전자쌍이 s파 일중항 (L=0, S=0)인 반면, 헬륨-3의 쌍은 p파 삼중항 (L=1, S=1)이라는 것이다. 헬륨-3 쌍 형성의 구동력은 '''스핀의 요동'''으로 생각된다.

헬륨-3의 초유동 기구는 초전도(BCS 이론)만큼 이론적으로 상세히 해명되지 않았다.

초전도체는 전하를 띤 쿠퍼 쌍(전자쌍)의 초유체 현상으로 설명할 수 있다. 중성자별 내부는 초유체 상태의 중성자로 구성되어 있을 것으로 추정되는데, 이는 중성자들이 짝을 지어 초유체성을 가지기 때문이다.

3. 1. 보손 초유체

헬륨-4는 매우 낮은 온도에서도 무시할 수 없는 상호작용을 보여, 기체가 아닌 액체 상태로 존재한다. 그러나 보손 계의 경우 상호작용이 없는 이상 보스 기체에서도 보스-아인슈타인 응축으로의 상전이가 존재하며, 보스-아인슈타인 응축은 초유체의 성질을 보인다.

초유동성은 1937년 표트르 카피차[3], 존 F. 앨런과 돈 미제너[4]에 의해 독립적으로 발견되었다. 오네스는 1911년 8월 2일에 수은에서 초전도 현상을 관찰한 바로 그 날에 초유동 상전이 현상을 관찰했을 가능성이 있다.[5]

액체 헬륨-4에서 초유동성은 헬륨-3에서보다 훨씬 더 높은 온도에서 발생한다. 헬륨-4의 각 원자는 정수 스핀을 가지므로 보손 입자이다.

초유동 상태에 있는 헬륨-4는 액체 상태이며, 이상 보스 기체와는 다른 상태이다. 또한 헬륨 원자 간의 상호 작용, 원자끼리 접근했을 때 작용하는 강한 척력의 영향 등으로 인해 이상 보스 기체와는 다른 값을 가진다. 이상 보스 기체에서는 입자 간의 상호 작용을 고려하지 않았지만, 그 후, 상호 작용이 있는 경우로의 이론적 확장이 이루어지고 있다. 다만, 이상 보스 기체에서의 보스 응축 상태로의 상전이는 3차 상전이이지만, 헬륨-4의 초유동으로의 전이는 2차 상전이이다. 이 부분에 대한 이론적 해석은 아직 충분히 이루어지지 않았다.

3. 1. 1. 헬륨-4

헬륨-4는 극저온·저압에서는 액체(초유체)의 상을 가지며, 저온·고압에서 고체가 되는 특이한 상평형 그림을 보인다. 이는 절대 영도에서 고체로 존재하는 다른 원소들과는 다른 점이다. 극저온·저압의 초유체 상과 저압의 일반 액체 상 사이의 상전이는 '''람다(λ) 상전이'''라고 불리며, 이는 초유체에서 일반 액체로 상전이할 때 비열용량이 그리스 문자 λ와 같은 형태로 발산하기 때문이다.[19] 이때의 임계 온도(람다점 λ) 이하로 내려가면 초유체 상태로 전이된다. 헬륨-3의 임계 온도는 약 1.02mK이고, 헬륨-4의 임계온도는 2,200이다.

초유동성은 1937년 표트르 카피차[3], 존 F. 앨런과 돈 미제너[4]에 의해 독립적으로 발견되었다. 오네스는 1911년 8월 2일에 수은에서 초전도 현상을 관찰한 바로 그 날에 초유동 상전이 현상을 관찰했을 가능성이 있다.[5]

액체 헬륨-4에서 초유동성은 헬륨-3에서보다 훨씬 더 높은 온도에서 발생한다. 헬륨-4의 각 원자는 그 정수 스핀에 의해 보손 입자이다. 헬륨-3 원자는 페르미온 입자이며, 매우 낮은 온도에서 발생하는 것처럼, 다른 입자와 짝을 이뤄서만 보손을 형성할 수 있다. 헬륨-3에서의 초유동성 발견은 1996년 노벨 물리학상 수상의 기반이 되었다.[1] 이 과정은 전자 쌍과 초전도 현상과 유사하다.

헬륨-4는 영점 진동 효과로 인해 저온에서 액화되어도 절대 영도에 도달할 때까지 액체 상태로 존재하며 고체가 되지 않는다. 2,170에서 비열의 급격한 변화가 나타나 2차 상전이를 일으켜 초유동 상태가 된다. 이 전이 온도를 비열의 급격한 변화 형태에서 따와서 λ점이라고 한다[19]。

초유동 상태에서 헬륨-4는 점성이 0인 상태(He II상)가 되며, 벽을 기어 올라가거나, 원자 하나가 통과할 수 있는 틈새만 있다면 그곳에서 새어 나온다. 다만, 유한 온도 영역에서는 일반 유체(일반적인 액체의 성질을 나타냄: He I상)와 초유체(점성 제로: He II상)가 공존한다(→ 이중 유체 이론). 초유체의 상태에서는 보스 입자인 헬륨-4가 보스-아인슈타인 응축을 한다.

초유동 부분이 보스 응축을 하고 있을 것이라는 점은 1938년, 프리츠 런던에 의해 처음 지적되었다. 런던은 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여, 그 이론값 3,130를 도출했다. 이 값은 실험 관측값 2,170에 가까운 값이라고 할 수 있다.

또한, 초유동 상태에서는 매우 높은 열의 전도성을 나타낸다. 이는 열원에 대해 헬륨-4 중 초유동 성분이 가까워지도록, 일반 유동 성분이 멀어지도록 운동하기 때문이다(일종의 대류라고 할 수 있다). 이 높은 열전도성으로 인해 초유동 헬륨은 전체적으로 열적으로 매우 균일해진다.

3. 1. 2. 초저온 보손 기체

헬륨-4는 매우 낮은 온도에서도 무시할 수 없는 상호작용을 보여, 기체가 아닌 액체 상태로 존재한다. 그러나 보손 계의 경우 상호작용이 없는 이상 보스 기체의 경우에도 보스-아인슈타인 응축으로의 상전이가 존재하며, 보스-아인슈타인 응축은 초유체의 성질을 보인다. 2000년에 루비듐-87을 사용하여 극저온 보손 기체에서 이러한 소용돌이가 관찰되었으며,[8] 최근에는 2차원 기체에서도 관찰되었다.[9] 1999년 레네 하우는 빛을 느리게 하고 나중에는 완전히 멈추게 할 목적으로 나트륨 원자를 사용하여 그러한 응축을 만들었다.[10][11] 그녀의 팀은 그 후 이 압축된 빛의 시스템을 사용하여[12] 충격파와 토네이도의 초유체 유사체를 생성했다.[13]

3. 2. 페르미온 초유체

페르미온은 매우 낮은 온도에서 상호작용이 없으면 초유체 성질을 갖지 않는다. 그러나 저온에서 강한 상호작용이 있다면, 두 페르미온이 짝을 지어 합성 보손을 이루고, 이것이 보스-아인슈타인 응축을 겪을 수 있다.

  • 헬륨-3: 페르미온이지만, 특정 조건에서 쌍을 이루어 초유체 현상을 보인다.
  • 초전도체: 전하를 띤 쿠퍼 쌍(전자쌍)의 초유체 현상으로 설명할 수 있다.
  • 중성자별: 내부는 초유체 상태의 중성자로 구성되어 있을 것으로 추정되며, 이는 중성자들이 짝을 지어 초유체성을 가지기 때문이다.

3. 2. 1. 헬륨-3

헬륨-3 원자는 페르미온으로, 보스-아인슈타인 통계를 따르지 않고 페르미-디랙 통계를 따른다. 따라서 헬륨-3에는 보스-아인슈타인 응축 모형을 적용할 수 없다. 그럼에도 불구하고 헬륨-3에서도 초유체 현상이 관찰되는데, 이는 헬륨-3 입자들이 개별 페르미온으로 행동하지 않고, 두 입자가 짝을 이루어 보손화되기 때문이다. 즉, 두 개의 페르미온이 하나의 보손처럼 행동하여 보스-아인슈타인 응축 현상을 나타낸다.

헬륨-3은 헬륨-4와 달리 페르미온(1/2의 핵 스핀을 가짐)이기 때문에, 1972년 오셰로프, 리처드슨, 리 등이 발견하기 전까지 초유동 현상은 관측되지 않았다.

헬륨-3에서 초유동으로 전이하는 온도는 34기압에서 2.6mK, 0기압에서 대략 1mK로, 헬륨-4에 비해 매우 낮다. 이는 헬륨-3이 페르미온이고, 그대로는 응축 상태가 되지 않기 때문이다. 헬륨-3이 초유동이 되기 위해서는 초전도의 경우와 마찬가지로 2개의 헬륨-3이 쌍(페어: 이 경우도 쿠퍼 쌍이라고 하는 경우가 있다)을 이루어 쌍응축할 필요가 있다. 다만 초전도의 경우와 다른 점은, 통상적인 BCS 이론의 틀 내의 초전도에서는 전자쌍이 s파 일중항 (L=0, S=0)인 것에 반해, 헬륨-3의 쌍은 p파 삼중항 (L=1, S=1)이 된다는 것이다. 헬륨-3의 쌍을 형성하는 구동력(종래형의 초전도에서의 포논에 상당)은 '''스핀의 요동'''으로 생각된다.

헬륨-3의 초유동 기구는 초전도(BCS 이론)만큼 이론적인 면에서 상세한 해명이 이루어지지 않았다.

3. 2. 2. 초전도체

초전도 현상은 전하를 띤 쿠퍼 쌍(전자쌍)의 초유체 현상으로 설명될 수 있다. BCS 이론에 따르면, 보통 상호작용하는 전자들이 쿠퍼 쌍이라는 합성 보손을 만든다. 이 쿠퍼 쌍은 -2의 전하를 띠며, 마치 보손과 같이 행동한다. 쿠퍼 쌍의 유체는 초유체를 이루며, 전하를 분산(전기 저항) 없이 운송할 수 있다. 즉, 초전도 현상은 대전된 초유체로부터 발생한다.[1]

3. 2. 3. 중성자별

중성자별 내부는 초유체 상태의 중성자로 구성되어 있을 것으로 추정된다. 중성자는 페르미온이지만, 서로 짝을 지어 초유체성을 갖게 된다. 찬드라 엑스선 관측선의 2010년 11월 관측을 통해 중성자별의 초유체성이 간접적으로 확인되었다.[29][30]

아르카디 미그달은 중성자별 내부에 초유체 현상이 존재한다는 아이디어를 처음 제안하였다.[14][15] 초전도체 내부의 전자가 전자-격자 상호 작용으로 쿠퍼 쌍을 형성하는 것과 유사하게, 충분히 높은 밀도와 낮은 온도에서 중성자별의 핵자 역시 장거리 인력 핵력으로 인해 쿠퍼 쌍을 형성하여 초유체 및 초전도성을 띨 수 있을 것으로 예상된다.[16]

4. 이론

헬륨-4는 영점 진동 효과로 인해 저온에서 액화되어도 절대 영도에 도달할 때까지 액체 상태로 존재하며, 고체가 되지 않는다. 에서 비열의 급격한 변화가 나타나 2차 상전이를 일으켜 초유동 상태가 된다. 이 전이 온도를 비열의 급격한 변화 형태에서 따와 λ점이라고 한다.[19]

초유동 상태에서 헬륨-4는 점성이 0인 상태(He II상)가 되며, 벽을 기어 올라가거나, 원자 하나가 통과할 수 있는 틈새만 있다면 그곳에서 새어 나온다. 다만, 유한 온도 영역에서는 일반 유체(일반적인 액체의 성질을 나타냄: He I상)와 초유체(점성 제로: He II상)가 공존한다(→ 이중 유체 이론). 초유체의 상태에서는 보스 입자인 헬륨-4가 보스-아인슈타인 응축을 한다.

1938년 프리츠 런던은 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여, 그 이론값 3.13K를 도출했다. 이는 실험 관측값 2.17K에 가깝다. 값의 차이는, 초유동 상태에 있는 헬륨-4는 액체 상태이며, 이상 보스 기체와는 다른 상태라는 점, 헬륨 원자 간의 상호 작용, 원자끼리 접근했을 때 작용하는 강한 척력의 영향 등에 의한 것이다.

또한, 초유동 상태에서는 매우 높은 열전도성을 나타낸다. 이는 열원에 대해 헬륨-4 중 초유동 성분이 가까워지도록, 일반 유동 성분이 멀어지도록 운동하기 때문이다(일종의 대류). 이 높은 열전도성으로 인해 초유동 헬륨은 전체적으로 열적으로 매우 균일해진다.

헬륨-3은 헬륨-4와 달리 페르미온이기 때문에(1/2의 핵 스핀을 가짐) 1972년 오셰로프, 리처드슨, 리 등이 발견하기 전까지 초유동 현상은 관측되지 않았다. 헬륨-3에서 초유동으로 전이하는 온도는 34기압에서 2.6mK(밀리켈빈), 0기압에서 대략 1mK로, 헬륨-4에 비해 매우 낮다. 이는 헬륨-3이 페르미온이고, 그대로는 응축 상태가 되지 않기 때문이다. 헬륨-3이 초유동이 되기 위해서는 초전도의 경우와 마찬가지로 2개의 헬륨-3이 쌍(페어: 이 경우도 쿠퍼 쌍)을 이루어 쌍응축할 필요가 있다. 다만 초전도의 경우와 다른 점은, 통상적인 BCS 이론의 틀 내의 초전도에서는 전자쌍이 s파 일중항 (L=0, S=0)인 것에 반해, 헬륨-3의 쌍은 p파 삼중항 (L=1, S=1)이 된다는 것이다. 헬륨-3의 쌍을 형성하는 구동력은 '''스핀의 요동'''으로 생각된다.

헬륨-3의 초유동 기구는 초전도(BCS 이론)만큼 이론적인 면에서의 상세한 해명이 이루어지지 않았다.

4. 1. 란다우 조건

레프 란다우가 제안한 '''란다우 조건'''(Landau criterion영어)에 따르면, 주어진 양자역학적 계의 분산 관계가 선형인 경우 계는 초유체성을 가진다.[31][32] 즉, 다음 조건을 만족하면 계는 초유체가 된다.

:\min\omega(k)/k\equiv v_0>0

란다우 조건은 다음과 같이 유도할 수 있다. 일반적인 유체에서는 계의 운동량이 추가 진동 모드의 생성으로 인해 분산될 수 있다. 운동량 \hbar k의 모드가 하나 생성되면, 계의 운동량 P는 다음과 같이 감소한다.

:P\to P-\hbar k

이러한 과정이 일어나려면, 이 진동 모드를 생성할 만큼의 에너지가 있어야 한다. 즉, 다음이 성립해야 한다.

:\frac1{2M}P^2\ge\frac1{2M}(P-\hbar k)^2+\hbar\omega(k)

이를 정리하고, P=Mv를 대입하면 다음과 같다.

:v\ge\omega(k)/k+\frac{\hbar k}{2M}

두 번째 항 \hbar k/2M은 미시적이므로 무시할 수 있다. 따라서 다음을 얻는다.

:v\ge\omega/k

즉, 만약 계의 분산 관계가 \omega/k\ge v_0을 만족시킨다면, 오직 v\ge v_0인 경우에만 운동량이 분산될 수 있다. 다시 말해, 이 임계 속도보다 느리게 움직이는 경우 운동량이 분산되지 못하고, 따라서 계는 저온에서 초유체처럼 행동하게 된다.

4. 2. 초유체의 모형

그로스-피타옙스키 방정식은 약하게 상호작용하는 보손 계의 초유체를 설명하는 대표적인 모형이다.[32] 이는 슈뢰딩거 방정식에 비선형 멕시코 모자 퍼텐셜을 추가한 것이다. 이 경우, 복소 스칼라장의 U(1) 대칭이 자발 대칭 깨짐을 겪고, 골드스톤 보손이 생성된다.

유효 이론에서 낮은 에너지의 분산 관계는 대략 무질량 클라인-고든 방정식을 따르며, 유효 광속은 다음과 같다.

:c_{\text{eff}}=\sqrt{2g^2\rho_0/m}

상대론적 무질량 입자는 선형 분산 관계를 따르므로, 이 경우 임계 속도 c_{\text{eff}} 이하에서 계는 초유체가 된다.

1938년 프리츠 런던은 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여 이론값 3.13K를 도출했다. 이는 실험 관측값 2.17K에 가까운 값이다.

5. 역사

최초로 발견된 초유체는 헬륨-4이다. 헬륨-4는 영점 진동 효과로 인해 저온에서 액화되어도 절대 영도에 도달할 때까지 액체 상태로 존재하며, 고체가 되지 않는다. 에서 비열의 급격한 변화가 나타나 2차 상전이를 일으켜 초유동 상태가 된다. 이 전이 온도를 λ점이라고 한다.[19]

초유동 상태에서 헬륨-4는 점성이 0인 상태(He II상)가 되며, 벽을 기어 올라가거나, 원자 하나가 통과할 수 있는 틈새만 있다면 그곳에서 새어 나온다. 다만, 유한 온도 영역에서는 일반 유체(He I상)와 초유체(He II상)가 공존한다(이유체 모델). 초유체의 상태에서는 보스 입자인 헬륨-4가 보스-아인슈타인 응축을 한다.

프리츠 런던은 1938년 헬륨-4의 초유체 현상이 보스-아인슈타인 응축과 관련되어 있음을 지적했다. 런던은 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여, 그 이론값 3.13K를 도출했는데, 이는 실험 관측값 2.17K에 가까운 값이다. 값의 차이는, 초유동 상태에 있는 헬륨-4는 액체 상태이며, 이상 보스 기체와는 다른 상태라는 점, 헬륨 원자 간의 상호 작용, 원자끼리 접근했을 때 작용하는 강한 척력의 영향 등에 의한 것이다. 이상 보스 기체에서는 입자 간의 상호 작용을 고려하지 않았지만, 그 후, 상호 작용이 있는 경우로의 이론적 확장이 이루어지고 있다. 다만, 이상 보스 기체에서의 보스 응축 상태로의 상전이는 3차 상전이지만, 헬륨-4의 초유동으로의 전이는 2차 상전이이다.

초유동 상태에서는 매우 높은 열전도성을 나타낸다. 이는 열원에 대해 헬륨-4 중 초유동 성분이 가까워지도록, 일반 유동 성분이 멀어지도록 운동하기 때문이다. 이 높은 열전도성으로 인해 초유동 헬륨은 전체적으로 열적으로 매우 균일해진다.

헬륨-4의 점성이 극저온에서 사라지는 현상은 1937년에 실험적으로 확인되었다.[20][21] 레프 란다우는 1941년 유체의 소여기 스펙트럼에 기초하여 초유동 이론을 구축하고,[23][24] 1940년 라슬로 티사에 의해 제안된[25] 초유동의 이유체 모델의 이론적 기초를 제공했다.[22] 니콜라이 보고류보프는 1947년에 상호 작용하는 보스 기체에 대해 논했다.[26] 올리버 펜로즈는 1951년 비대각 장거리 질서라는 개념을 도입했다.[27][28]

5. 1. 헬륨-4 초유체 발견

1937년 표트르 레오니도비치 카피차, 존 F. 앨런, 돈 미제너[33]는 헬륨-4의 초유체 현상을 발견했다.[3] 이 공로로 카피차는 1978년 노벨 물리학상을 수상하였다.

프리츠 런던은 1938년 헬륨-4의 초유체 현상이 보스-아인슈타인 응축과 관련되어 있음을 지적했다.[22] 런던은 헬륨-4 원자를 이상 보스 기체로 간주하고, 초유동 전이 온도를 보스 응축 온도로 하여, 그 이론값 3.13K를 도출했는데, 이는 실험 관측값 2.17K에 가까운 값이다.

5. 2. 헬륨-3 초유체 발견

1970년대에, 데이비드 리와 더글러스 오셔로프, 로버트 콜먼 리처드슨은 페르미온인 헬륨-3 또한 극저온에서 초유체가 된다는 사실을 발견하였다.[33] 이 공로로 이들은 1996년 노벨 물리학상을 수상하였다.

헬륨-3()은 헬륨-4와 달리 페르미온이기 때문에(1/2의 핵 스핀을 가짐) 1972년 오셰로프, 리처드슨, 리 등이 발견하기 전까지 초유동 현상은 관측되지 않았다.

헬륨-3에서 초유동으로 전이하는 온도는 34기압에서 2.6mK, 0기압에서 대략 1mK로, 헬륨-4에 비해 매우 낮다. 이는 헬륨-3이 페르미온이고, 그대로는 응축 상태가 되지 않기 때문이다. 헬륨-3이 초유동이 되기 위해서는 초전도의 경우와 마찬가지로 2개의 헬륨-3이 쌍(페어: 이 경우도 쿠퍼 쌍이라고 하는 경우가 있다)을 이루어 쌍응축할 필요가 있다. 다만 초전도의 경우와 다른 점은, 통상적인 BCS 이론의 틀 내의 초전도에서는 전자쌍이 s파 일중항 (L=0, S=0)인 것에 반해, 헬륨-3의 쌍은 p파 삼중항 (L=1, S=1)이 된다는 것이다. 헬륨-3의 쌍을 형성하는 구동력(종래형의 초전도에서의 포논에 상당)은 '''스핀의 요동'''으로 생각된다.

덧붙여, 헬륨-3의 초유동 기구는 초전도(BCS 이론)만큼 이론적인 면에서의 상세한 해명이 이루어지지 않았다.

5. 3. 기타 초유체 연구

2000년대 이후 초저온 보손 및 페르미온 기체에서도 초유체 현상이 실험적으로 확인되었다.[34] 2005년에는 볼프강 케테를레의 실험을 통해 초저온 페르미온 (리튬-6) 기체가 초유체의 성질을 보인다는 것이 밝혀졌다.[6][7]

레네 하우는 나트륨 원자를 이용하여 보스-아인슈타인 응축을 만들고, 이를 이용해 충격파와 토네이도의 초유체 유사체를 생성하는 연구를 진행했다.[10][11][12][13]

아르카디 미그달은 중성자별 내부에 초유체 현상이 존재할 수 있다는 아이디어를 처음 제안하였다.[14][15]

6. 고에너지 물리학 및 양자 중력과의 관계

초유체 진공 이론(SVT)은 이론 물리학과 양자 역학에서 물리적 진공을 초유체로 간주하는 접근 방식이다.

이 접근법의 궁극적인 목표는 양자 역학(4가지 알려진 기본 상호 작용 중 3가지를 설명)과 중력을 통일하는 과학적 모델을 개발하는 것이다. 이는 SVT를 양자 중력 이론의 후보이자 표준 모형의 확장으로 만든다.

이러한 이론의 개발은 모든 기본 상호 작용을 단일하고 일관된 모델로 통합하고, 모든 알려진 상호 작용과 기본 입자를 초유체 진공이라는 동일 실체의 다양한 현상으로 설명할 수 있기를 바라고 있다.

거시적 규모에서 유사한 현상이 찌르레기의 군무에서 발생하는 것으로 제안되었다. 비행 패턴의 급격한 변화는 일부 액체 상태에서 초유동성을 유발하는 상 변화를 모방한다.[17]

빛은 푸아송 반점과 같은 다양한 응용 분야에서 초유체처럼 행동한다. 위에 표시된 액체 헬륨처럼 빛은 장애물 표면을 따라 이동한 다음 궤적을 따라 계속 이동한다. 빛은 국부 중력의 영향을 받지 않으므로 그 "수준"은 자체 궤적과 속도가 된다. 또 다른 예는 빛의 빔이 조리개의 구멍을 통과하여 회절되기 전에 그 뒷면을 따라 이동하는 방식이다.

참조

[1] 웹사이트 The Nobel Prize in Physics 1996 – Advanced Information https://www.nobelpri[...] 2017-02-10
[2] 간행물 Superfluids Are Not Fluids https://cs.stanford.[...] Stanford University 2024-11-15
[3] 학술지 Viscosity of Liquid Helium Below the λ-Point 1938
[4] 학술지 Flow of Liquid Helium II 1938
[5] 학술지 The discovery of superconductivity https://pubs.aip.org[...] 2010-09-01
[6] 웹사이트 MIT physicists create new form of matter http://web.mit.edu/n[...] 2010-11-22
[7] 학술지 Low-temperature physics: A quantum revolution
[8] 학술지 Vortex Formation in a Stirred Bose–Einstein Condensate
[9] 학술지 Atomic physics: Cold gases venture into Flatland
[10] 학술지 Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas http://nrs.harvard.e[...]
[11] 웹사이트 Lene Hau http://www.physicsce[...] 2013-02-10
[12] 학술지 Frozen Light https://groups.seas.[...] 2003
[13] 웹사이트 Shocking Bose–Einstein Condensates with Slow Light http://www.siam.org/[...] Society for Industrial and Applied Mathematics 2006-09-09
[14] 학술지 Superfluidity and the moments of inertia of nuclei 1959
[15] 학술지 Superfluidity and the Moments of Inertia of Nuclei http://www.jetp.ac.r[...] 1960
[16] 서적 Physics of Neutron Star Interiors 2001
[17] 학술지 Information transfer and behavioural inertia in starling flocks
[18] 문서 液体ヘリウムの超流動 https://www.crc.u-to[...] 東京大学 低温科学研究センター
[19] 문서 超流動ヘリウム４ https://www.sci.osak[...] 大阪市立大学 大学院理学研究科
[20] 학술지 Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point
[21] 학술지 Flow of Liquid Helium II
[22] 학술지 The λ-Phenomenon of Liquid Helium and the Bose-Einstein Degeneracy
[23] 학술지 1941
[24] 학술지 Theory of the Superfluidity of Helium II
[25] 학술지 Sur la théorie des liquides quantiques. Application à l'hélium liquide. II
[26] 학술지 1947
[27] 학술지 CXXXVI. On the quantum mechanics of helium II
[28] 학술지 Bose-Einstein Condensation and Liquid Helium
[29] 학술지 Cooling neutron star in the Cassiopeia~A supernova remnant: Evidence for superfluidity in the core
[30] 학술지 Highlights and Discoveries from the Chandra X-ray Observatory
[31] 서적 Statistical Physics https://archive.org/[...]
[32] 서적 Quantum Field Theory in a Nutshell http://www.kitp.ucsb[...] Princeton University Press 2014-06-26
[33] 학술지
[34] 학술지


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