문종철 표준연 박사팀, 루비듐 원자 이용한 'BEC 관측' 성공
"광레이저로 측정할 수 없었던 현상, 원자레이저 이용해 측정할 것"
서울시민 1,000만 명과 대전시민 150만 명이 동시에 맞절을 하게 유도하려면 어떻게 해야 할까? 먼저 이들에게 동시에 맞절 명령을 내려야 한다. 하지만 전화, 컴퓨터, TV, 휴대폰 등 갖은 수단을 이용해도 거리에 따라 생기는 시간차나 신호 전달 속도의 차이를 간과할 수는 없는 법. 만약 서울시민 단 한 명에게 ‘대전을 향해 절하라’고 명령했을 때, 모든 서울시민이 동시에 명령을 수행하게 된다면 어떨까? 그날이 오면 서울시민과 대전시민 모두가 동시에 맞절을 하는 모습을 볼 수 있을 지도 모르겠다. 하나만 조종해도 모두가 똑같이 움직이는 현상. 엉뚱하게만 들리는 이 모든 상황이 BEC(Bose-Einstein Condensation)에서는 가능하다. BEC 상태에서는 수많은 원자 중 하나의 원자만 조종해도 모든 원자를 동시에 조종할 수 있다. 여러 원자가 한데 뭉쳐 하나의 성격을 띠는데, 이때 물리적인 크기도 커지기 때문에 눈으로 관찰할 수 있는 상태가 된다. 이러한 BEC 관측의 활용 범위는 무한대(無限大)다. 미시세계 측정 뿐만 아니라 극저온에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상, 화학적인 여러 현상을 이해하는 데 가장 기초적 분야 중 하나인 양자화학 등 그동안 과학자들이 풀지 못했던 난제를 해결할 수 있다. 대한민국에서 BEC 연구를 통해 인류 과학사의 새 지평을 펼칠 대표 연구팀이 있다. 한국표준과학연구원(원장 강대임)에 나노양자연구단의 문종철 박사팀은 국내 최초로 루비듐 원자를 이용해 BEC 관측에 성공했다. 문 박사를 만나 BEC의 원리와 특성, 연구방향, 관측기술 개발이 측정 분야에 미치는 긍정적인 영향에 대해 들어보았다. ◆ 양자역학적인 현미경, BEC란 무엇일까? 우리에겐 생소한 BEC란 무엇일까. BEC는 극도로 차가운 원자 기체다. 온도가 굉장히 낮아져서 절대온도의 1억분의 1도(절대온도 1도는 섭씨로 -273.15도)인 초저온이 되면, 물체는 BEC 상태가 된다. 이 상태에서 원자는 더 이상 입자가 아닌 파동의 형태로 움직인다. "세상의 모든 물질은 입자와 파동의 성질을 동시에 가지고 있다. 온도가 낮아질수록 물질파(물질이 가지고 있는 파동성)의 크기가 점점 커지는데, 상온에서는 0에 가까운 물질파의 크기가 초저온에서는 1/0, 즉 무한대로 커지게 된다. 이렇듯 온도가 낮아질수록 원자 간에 구분은 희미해지고, 원자들은 한데 뭉쳐 거대한 물질파 형태를 띠게 된다." 문종철 박사의 말에 따르면, BEC 상태에서는 원자들이 모여 거대한 물질파가 되어 특별한 장치 없이 눈으로도 관찰할 수 있는 상태가 된다. 원자의 조종이 한결 수월해진 것이다. 물론 앞서 예로 든 사람의 경우 일괄적인 조종이 불가능하지만, BEC 상태에 있는 원자의 경우에는 가능하다. 원자의 형태를 사람의 모습으로 생각하면 보다 이해가 수월하다. 물질을 이루는 다양한 원자들은 제각기의 성질과 방향성을 가지고 움직이는데, 초저온 상태가 되면 원자들은 한데 뭉쳐 동일한 성질과 움직임을 띠게 된다. 그것을 우리는 BEC라 한다.
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▲SCIENCE지 1995년 12월 22일자에 실린 BEC의 이미지. 각기 움직이던 원자들이 한데 모여 동일한 움직임을 띠는 것을 볼 수 있다. ⓒ2012 HelloDD.com |
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▲BEC 관측에 대한 열정으로 똘똘 뭉친 연구원들이 함께 "파이팅"을 외치고 있다. ⓒ2012 HelloDD.com |
정진숙 기자
sinnanda11@hellodd.com
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