물리학자들은 물질의 이상한 새로운 단계를 추가 차원
초고체의 원자는 에너지를 잃지 않고 움직일 수 있습니다.
물리학자들은 사상 최초로 2차원 초 고체를 만들었습니다. 이 초 고체는 고체와 마찰이 없는 액체처럼 동시에 거동 하는 기이한 상태의 물질 입니다.
초고체는 원자가 규칙적이고 반복적인 결정 구조로 배열되어 있지만 운동 에너지를 잃지 않고 영원히 흐를 수 있는 물질입니다. 알려진 많은 물리학 법칙을 위반하는 것처럼 보이는 기이한 특성에도 불구하고 물리학자들은 오랫동안 이를 이론적으로 예측해 왔습니다. 이는 일찍이 1957년 물리학자 Eugene Gross의 연구에서 제안으로 처음 나타났습니다.
이제 물리학자들은 레이저와 초저온 가스를 사용하여 마침내 초고체를 2D 구조로 끌어올렸습니다. 이 발전을 통해 과학자들은 이상한 물질 단계의 신비한 속성 이면에 있는 더 깊은 물리학을 해독할 수 있게 되었습니다.
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연구원들에게 특히 흥미로운 것은 2D 초고체가 내부에 나타날 작은 작은 소용돌이 또는 와류와 함께 원으로 회전할 때 어떻게 행동하는지입니다.
인스브루크 대학 양자 연구소의 물리학자인 매튜 노르시아(Matthew Norcia)는 "예를 들어 회전 진동과 1D 시스템보다 훨씬 더 쉽게 2D 시스템 내에 존재할 수 있는 와류를 연구함으로써 배울 점이 많을 것으로 예상합니다"라고 말했습니다. 오스트리아의 광학 및 양자 정보(IQOQI)는 Live Science에 이메일로 말했습니다.
초고체 를 생성하기 위해 팀 은 레이저 냉각이라는 기술을 사용하여 원자를 0 켈빈 (화씨 영하 459.67도 또는 섭씨 영하 273.15도) 바로 위까지 냉각하기 전에 광학 핀셋 내부 에 디스프로슘 -164 원자 구름을 매달았습니다 .
가스에 레이저를 발사하면 일반적으로 가스가 가열되지만 레이저 빔의 광자(가벼운 입자)가 이동하는 가스 입자의 반대 방향으로 이동하는 경우 실제로 가스 입자를 느리게 만들고 냉각시킬 수 있습니다. 디스프로슘 원자를 레이저로 최대한 냉각시킨 후, 연구원들은 광학 핀셋의 "그립"을 느슨하게 하여 가장 활기찬 원자가 빠져나갈 수 있는 충분한 공간을 만들었습니다.
"따뜻한" 입자가 더 차가운 입자보다 더 빨리 흔들리기 때문에 증발 냉각이라고 하는 이 기술은 연구원들에게 과냉각된 원자만 남게 했습니다. 그리고 이 원자들은 물질의 새로운 단계인 보스-아인슈타인 응축물 로 변형되었습니다. 즉, 머리카락의 절대 0도 이내로 과냉각된 원자의 집합입니다 .
기체가 0에 가까운 온도로 냉각되면 모든 원자는 에너지를 잃고 동일한 에너지 상태로 들어갑니다. 우리는 에너지 준위를 보고 가스 구름에서 다른 동일한 원자를 구별할 수 있을 뿐이므로 이 균등화는 심오한 효과를 가집니다. 양자역학적 관점, 완벽하게 동일합니다.
이것은 정말로 이상한 양자 효과에 대한 문을 엽니다 . 양자 거동의 핵심 규칙 중 하나인 하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량을 절대적으로 정확하게 알 수 없다고 말합니다. 그러나 이제 보스-아인슈타인 응축 원자가 더 이상 움직이지 않기 때문에 모든 운동량을 알 수 있습니다. 이것은 원자의 위치가 너무 불확실하여 그들이 차지할 수 있는 장소가 원자 자체 사이의 공간보다 면적이 더 커지도록 합니다.
그러면 불연속적인 원자 대신에 퍼지 보스-아인슈타인 응축물 공의 겹치는 원자가 마치 하나의 거대한 입자인 것처럼 행동합니다. 이것은 일부 Bose-Einstein 응축물에 초유체 특성을 부여하여 입자가 마찰 없이 흐를 수 있도록 합니다. 사실, 초유체 보스-아인슈타인 응축수를 머그잔에 휘젓는다면 소용돌이가 멈추지 않을 것입니다.
연구원들은 디스프로슘-164(디스프로슘의 동위원소)를 사용했는데, 그 이유는 디스프로슘-164가 (주기율표의 이웃인 홀뮴과 함께) 발견된 원소 중 가장 자성을 띠기 때문입니다. 이것은 디스프로슘-164 원자가 과냉각되었을 때 초유체가 될 뿐만 아니라 작은 막대 자석처럼 서로 달라붙어 물방울로 함께 덩어리져 있다는 것을 의미합니다.
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Norcia는 "장거리 자기 상호작용과 원자 사이의 단거리 접촉 상호작용 사이의 균형을 주의 깊게 조정함으로써 자유로이 흐르는 원자를 포함하는 1차원의 긴 액적 튜브를 만들 수 있었습니다. 1D 초고체 . 그것이 그들의 이전 작업이었습니다.
1D에서 2D 초고체로 도약하기 위해 팀은 더 큰 트랩을 사용하고 두 방향에 걸쳐 광학 핀셋 빔의 강도를 낮췄습니다. 이것은 충분히 높은 밀도를 유지하기 위해 트랩에 충분한 원자를 유지하는 것과 함께 마침내 서로 옆에 있는 두 개의 오프셋 1D 튜브인 2D 초고체와 유사한 액적의 지그재그 구조를 만들 수 있게 했습니다.
물리학자들은 생성 작업을 뒤로 하고 이제 2D 초고체를 사용하여 이 추가 차원을 갖는 것으로부터 나타나는 모든 속성을 연구하려고 합니다. 예를 들어, 그들은 적어도 이론상으로는 소용돌이 치는 원자의 소용돌이가 영원히 나선형으로 나타날 수 있기 때문에 어레이의 물방울 사이에 나타나거나 갇힌 소용돌이를 연구할 계획입니다.
이것은 또한 연구자들이 Gross'와 같은 초기 제안에서 상상했던 벌크, 3D, 초고체 및 그들이 가질 수 있는 훨씬 더 많은 외계인 속성에 한 걸음 더 다가가게 합니다.
연구원들은 8월 18일 네이처(Nature) 저널에 연구 결과를 발표했습니다 .
원래 Live Science에 게시되었습니다.
