페르미온 응축
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1. 개요
페르미온 응축은 페르미온 입자들이 특정 조건에서 응집되어 나타나는 현상이다. 이는 보스-아인슈타인 응축보다 낮은 온도에서 발생하는 초유체의 일종으로, 에너지 손실 없이 흐르는 특성을 보인다. 페르미온은 파울리 배타 원리에 의해 동일한 양자 상태를 점유할 수 없지만, 특정 온도 이하에서 쿠퍼 쌍을 형성하여 응축될 수 있다. 페르미온 응축의 예시로는 초전도 현상을 설명하는 BCS 이론, 양자 색역학(QCD)에서의 키랄 응축, 헬륨-3 초유동 등이 있다.
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| 페르미온 응축 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 종류 | 물질의 상태 |
| 설명 | 아주 낮은 온도에서 일부 물질에서 나타나는 양자역학적 상태 |
| 관련 입자 | 페르미온 |
| 페르미온 | 반정수 스핀 입자 |
| 상전이 온도 근처 | 절대 영도 |
| 속성 | 초유동성 |
| 발견 시기 | 1990년대 후반 |
| 대표 물질 | 극저온 기체 초전도체 |
| 응축 현상 | 보스-아인슈타인 응축 |
| 참고 | 쿠퍼 쌍 |
2. 배경
페르미온 응축은 초유동 및 초전도 현상과 밀접하게 관련되어 있다. 초유체는 점성이 0이 되어 에너지 손실 없이 흐를 수 있는 특별한 상태이다. 초유동성은 헬륨-4와 같은 보손 입자에서 처음 발견되었지만, 파울리 배타 원리에 의해 동일한 양자 상태를 가질 수 없는 페르미온에서도 BCS 전이를 통해 나타날 수 있다.
BCS 이론에 따르면, 특정 온도 이하에서 페르미온 입자인 전자는 쌍을 이루어 쿠퍼 쌍을 형성한다. 이 쿠퍼 쌍이 깨지지 않으면 전자 유체는 저항 없이 흐를 수 있게 되어 초전도 현상이 나타난다. 헬륨-3과 같은 전자 이외의 페르미온에서도 비슷한 현상이 발생할 수 있음이 실험적으로 확인되었다.
1995년 에릭 코넬과 칼 위먼이 루비듐 원자로 보스-아인슈타인 응축을 생성한 이후, 페르미온 원자로도 유사한 응축을 만들 수 있다는 가능성이 제기되었다. 2003년 데보라 S. 진 연구팀은
2. 1. 초유동
초유체는 일정한 모양이 없고 가해진 힘에 반응하여 흐르는 등 일반 액체 및 기체와 유사한 특징을 갖는다. 그러나 초유체는 일반 물질에는 없는 몇 가지 특성을 지니는데, 예를 들어 에너지 소실 없이 높은 속도로 흐를 수 있어 점성이 0이다. 낮은 속도에서는 양자 와동 형성에 의해 에너지가 소산되며, 이는 초유체가 분해되는 매체의 "구멍" 역할을 한다.초유동성은 원래 헬륨-4 액체에서 발견되었으며, 헬륨-4의 원자는 보손이다. 페르미온 초유체는 파울리 배타 원리에 따라 페르미온은 동일한 양자 상태를 점유할 수 없기 때문에 보존 초유체보다 생성하기가 훨씬 더 어렵다. 그러나 BCS 전이를 통해 페르미온으로부터 초유체를 형성할 수 있다. 특정 온도 이하에서 전자는 (페르미온) 짝을 이루어 쿠퍼 쌍으로 알려진 결합된 쌍을 형성할 수 있다. 고체의 이온 격자와의 충돌이 쿠퍼 쌍을 깨기에 충분한 에너지를 공급하지 않는 한, 전자 유체는 소산 없이 흐를 수 있다. 그 결과, 초유체가 되며, 이를 통과하는 물질은 초전도체가 된다.
헬륨-3 원자와 같은 전자 이외의 페르미온으로 구성된 유체에서도 유사한 현상이 발생할 수 있다는 것이 실험을 통해 확인되었다. 헬륨-3은 0.0025 K 이하에서 초유체가 된다. 헬륨-3의 초유동성은 BCS와 유사한 메커니즘에서 비롯된다.
초유동은 1938년에 표트르 카피차, John F. Allen, Don Misener에 의해 액체 헬륨-4에서 발견되었다. 헬륨-4에서의 초유동은 2.17 켈빈 (K)보다 낮은 온도에서 일어나며, 이는 보스-아인슈타인 응축과 동일한 메커니즘으로 보스 응축에 의해 발생한다고 오랫동안 이해되어 왔다. 초유동 헬륨과 보스-아인슈타인 응축의 주요 차이점은 전자는 액체에서 응축되지만 후자는 기체에서 응축된다는 점이다.
2. 2. 페르미온성 초유체
파울리 배타 원리에 따라 페르미온은 동일한 양자 상태를 점유할 수 없기 때문에, 페르미온 초유체는 보손 초유체보다 생성하기가 훨씬 더 어렵다. 그러나 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 BCS 이론을 통해 초전도 현상을 설명한 것처럼, 페르미온으로부터 초유체를 형성할 수 있는 메커니즘이 존재한다. 이들은 특정 온도 이하에서 전자(페르미온)가 쌍을 이루어 쿠퍼쌍을 형성할 수 있음을 보였다. 쿠퍼쌍이 깨지지 않는 한, 전자 유체는 소산 없이 흐를 수 있어 초유체가 된다.BCS 이론은 초전도체를 설명하는 데 매우 성공적이었다. 이후 여러 이론가들은 헬륨-3 원자와 같은 전자 이외의 페르미온으로 구성된 유체에서도 유사한 현상이 발생할 수 있다고 제안했다. 1971년 더글러스 오셰로프는 헬륨-3이 2.5 이하에서 초유체가 된다는 것을 실험으로 확인했다. 헬륨-3의 초유동성은 BCS 이론과 유사한 메커니즘에서 비롯된다는 것이 곧 확인되었다. 다만, 헬륨 원자는 전자보다 서로 강하게 반발하기 때문에 헬륨-3 초유체 이론은 BCS 초전도 이론보다 약간 더 복잡하다.
2. 3. 페르미온 원자 응축
1995년 에릭 코넬과 칼 위먼이 루비듐 원자에서 보스-아인슈타인 응축을 생성했을 때, BCS 메커니즘에 의해 초유체를 형성하는 페르미온 원자로 만들어진 유사한 종류의 응축을 생성할 가능성이 자연스럽게 생겨났다. 그러나 초기 계산에 따르면 원자에서 쿠퍼 쌍을 생성하는 데 필요한 온도가 너무 낮아 달성하기 어려울 것으로 나타났다. 2001년, JILA의 머레이 홀랜드는 이러한 어려움을 우회하는 방법을 제안했다. 그는 페르미온 원자를 강한 자기장에 노출시켜 쌍을 이루도록 유도할 수 있다고 추측했다.[2]2003년, 홀랜드의 제안에 따라 JILA의 데보라 진, 인스브루크 대학교의 루돌프 그림 및 MIT의 볼프강 케테를레는 페르미온 원자가 분자 보존을 형성하도록 유도하는 데 성공했고, 이 분자 보존은 이후 보스-아인슈타인 응축을 겪었다. 그러나 이것은 진정한 페르미온 응축은 아니었다. 2003년 12월 16일, 진은 페르미온 원자로 처음으로 응축을 생성하는 데 성공했다. 이 실험에는 500,000개의 칼륨-40 원자가 포함되었으며, 50nK의 온도로 냉각된 후 시간에 따라 변하는 자기장에 노출되었다.[2]
3. 페르미온 응축의 예시
페르미온 응축의 예시로는 BCS 이론, 키랄 응축, 헬륨-3 초유동 등이 있다. BCS 이론은 초전도 현상을 설명하며, 특정 온도 아래에서 전자(페르미온)가 쌍을 이루어 쿠퍼쌍을 형성한다. 키랄 응축(쿼크 응축)은 양자 색역학(QCD)에서 하드론에 질량을 부여하는 원인 중 하나이다. 헬륨-3 원자는 매우 낮은 온도에서 쿠퍼쌍을 형성하여 초유동체로 응축된다.
3. 1. BCS 이론
존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 발견한 BCS 이론은 초전도 현상을 설명한다. 특정 온도 아래에서 전자(페르미온)는 쌍을 이루어 쿠퍼쌍을 형성한다. 고체의 이온 격자와의 충돌이 쿠퍼 쌍을 깨기에 충분한 에너지를 공급하지 않는 한, 전자 유체는 소산 없이 흐를 수 있어 초유체가 되고, 이를 통과하는 물질은 초전도체가 된다.[1]BCS 이론은 초전도체를 설명하는 데 매우 성공적이었다. BCS 논문이 발표된 직후, 여러 이론가들은 헬륨-3 원자와 같은 전자 이외의 페르미온으로 구성된 유체에서도 유사한 현상이 발생할 수 있다고 제안했다. 이러한 추측은 1971년 더글러스 오셰로프의 실험을 통해 헬륨-3이 2.5 이하에서 초유체가 된다는 것을 보여주면서 확인되었다.[1]
초전도 현상의 BCS 이론에서는 금속 내에서 반대 스핀을 가진 한 쌍의 전자가 스칼라 결합 상태인 쿠퍼 쌍을 형성할 수 있다. 이 결합 상태 자체가 응축을 형성한다. 쿠퍼 쌍은 전하를 가지므로, 이 페르미온 응축은 초전도체의 전자기 게이지 대칭성을 깨뜨려 이러한 상태의 특이한 전자기적 성질을 발생시킨다.[1]
3. 2. 키랄 응축 (QCD)
양자 색역학(QCD)에서 카이랄 응축은 '''쿼크 응축'''이라고도 한다. 이 QCD 진공의 특성은 글루온 응축과 같은 다른 응축과 함께, 하드론에 질량을 부여하는 부분적인 원인이다.쿼크의 향이 ''N''개인 QCD의 근사 버전은 쿼크 질량이 0이므로 이론에 정확한 SU(''N'') × SU(''N'')|SU(''N'') × SU(''N'')영어 대칭이 존재한다. QCD 진공은 쿼크 응축을 형성하여 이 대칭을 SU(''N'')으로 깨뜨린다. 이러한 페르미온 응축의 존재는 QCD의 격자 공식에서 처음 명시적으로 나타났다. 따라서 쿼크 응축은 이 극한에서 쿼크 물질의 여러 위상 사이의 전이의 순서 매개변수이다.
이것은 BCS 이론의 초전도 현상과 매우 유사하다. 쿠퍼 쌍은 유사 스칼라 중간자와 유사하다. 그러나 진공은 전하를 띠지 않으므로 모든 게이지 대칭은 깨지지 않는다. 쿼크의 질량에 대한 수정은 카이랄 섭동 이론을 사용하여 통합할 수 있다.
3. 3. 헬륨-3 초유동
헬륨-3 원자는 페르미온이며, 매우 낮은 온도에서 두 개의 원자로 이루어진 쿠퍼쌍을 형성하는데, 이 쿠퍼 쌍은 보손이며 초유동체로 응축된다.[1] 이 쿠퍼 쌍은 원자 간 간격보다 상당히 크다.[1] 1971년 D.D. 오셰로프의 실험을 통해 헬륨-3이 0.0025 K 이하에서 초유체가 된다는 것이 확인되었다.[1] 헬륨-3의 초유동성은 BCS 이론과 유사한 메커니즘에서 비롯된다.[1] Helium-3 superfluid|헬륨-3 초유체영어 이론은 BCS 초전도 이론보다 약간 더 복잡한데, 이는 헬륨 원자가 전자보다 훨씬 더 강하게 서로 반발하기 때문이다. 그러나 기본적인 아이디어는 동일하다.[1]참조
[1]
논문
Deborah S. Jin 1968–2016
[2]
논문
Observation of resonance condensation of Fermionic atom pairs
2004-01-28
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