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1. 개요
Bose-Einstein condensation사티엔드라 나트 보스(সত্যেন্দ্রনাথ বসু, Satyendranath Bose, 사티엔드라나트 보스)가 예측하고 알베르트 아인슈타인이 일반화한 새로운 물질의 상이다. 1924년 보스는 광자에 적용되는 새로운 통계규칙을 찾아냈고 1925년 아인슈타인은 물질에 대해 보스의 통계규칙을 적용했을 때 일어나는 현상에 대해서 고찰했다. 미시물리학에만 나타날 거라 생각되던 현상이 거시물리학적인 형태로도 나타나는 상황이라고 할 수 있다.
간단히 말해 보손으로 분류되는 입자들은 평소에 각자 움직이지만 극도로 낮은 온도에 놔두게되면 입자들이 서로 같은 에너지를 갖게되면서 서로 겹쳐서(응집) 마치 하나의 입자가 된것처럼 행동한다. 제각기 굴러다니던 유리구슬들이 하나로 뭉쳐서 거대한 하나의 유리구슬이 되어 같이 굴러다니게 된것처럼 행동하는 것이다.
2. 원리
소립자는 크게 페르미온과 보손으로 분류할 수 있는데, 서로 같은 페르미온은 같은 양자 상태를 가질 수 없지만 보손은 가질 수 있다는 차이점이 있다. 보스-아인슈타인 응축은 보손에서만 일어난다. 보손은 1,2와 같은 정수 스핀을 갖지만, 페르미온은 1/2, 3/2와 같은 반정수 스핀을 갖는다.간단하게 설명하면, 어떤 물질의 온도를 정말 극단적으로 낮추면(0K에 거의 근접해야 한다.) 그 입자들은 낮은 에너지를 갖는 양자 상태밖에 가질 수 없게 된다. 이때 보손의 경우, 바닥 상태가 가장 에너지가 낮은 상태이므로, 대부분의 입자가 바닥 상태까지 떨어지고, 따라서 물질을 이루던 대부분의 입자가 바닥 상태에 놓이게 된다. 이것을 보스-아인슈타인 응축(BEC)이라고 한다.
[math(^{4}\text{He})]의 초유체현상도 BEC와 깊은 연관이 있다. 다만 액체헬륨은 원자 간의 인력이 비교적 강하기 때문에 액체헬륨의 특정한 성질이 보스-아인슈타인 응축으로 인한 특성인지 원자간의 상호작용으로 나타나는 특성인지 구분하기가 어렵다. 따라서 보스-아인슈타인 응축 그 자체로 보기에는 무리가 있다.
페르미온의 경우 파울리 배타 원리를 만족시켜야 하기 때문에 낮은 에너지 상태를 갖는 입자가 있을 경우 높은 에너지 상태의 입자가 낮은 에너지 상태로 가지 못하고 그 상태에 남아있게 된다. 이 상태를 페르미 축퇴라고 하며, 이 상태의 페르미온들은 서로 반발하여 축퇴압을 갖게 된다.
광자 겹침 현상 또한 보스-아인슈타인 응집과 관련되어 있다.
3. 페르미온 응집
Fermionic condensate페르미온 응집은 보스-아인슈타인 응집과 밀접한 관계가 있다. 위 문단에서 페르미온은 반정수 스핀을 갖고, 보손은 정수 스핀을 갖는다고 하였다. 그러므로 간단하게 말해서, 페르미온 둘이 모이면 보손이 된다.[1] 실제로 극도로 냉각할 경우 페르미온 입자 두개가 쌍을 이루어(쿠퍼 쌍) 보손처럼 행동할 수가 있다. 저온 초전도체가 이에 밀접한 관련이 있다. 대표적인 페르미온인 전자 둘이 낮은 온도에서 쿠퍼쌍을 이루고, 이 쿠퍼쌍들이 보스-아인슈타인 응집을 일으켜 초전도체가 가지는 특성을 나타내게 된다. [math(^{3}\text{He})]의 초유체 현상도 페르미온 응집이 된다.
4. 연구사
2014년 연구결과에 의하면 반도체 내의 엑시톤-폴라리톤은 상온에서 BEC를 이룰 수 있다고 한다.[2] 엑시톤-폴라리톤은 반도체 안에 형성된 엑시톤(전자와 정공이 결합된 준입자)과 공진기 안에 있는 광자의 강한 상호작용의 결과로 생긴 제3의 보즈 준입자인데, 광자의 질량이 매우 작기 때문에 엑시톤-폴라리톤의 유효질량도 엑시톤에 비해 상당히 작아질 수 있어서 BEC 현상이 일어나는 임계 온도가 높아질 수 있다고 한다.2017년 음의 유효질량을 가진 물질을 만들어냈는데, 이 상태의 루비듐 입자에 레이저를 쏴서 만들어냈다고 한다.[3]
한정된 조건 하에서 해당 상태를 구현하려는 시도가 계속되고 있으며, 2020년에는 ISS에서 구현하는 데 성공했다고 한다.
2015년경 동국대의 교수 임현식이 극저온의 규소 금속에서 최초로 우연히 발견했고, 2023년 2월에 이 논문이 네이처 피직스에 게재되었다.
5. 창작물
[1]
단순화시킬 경우, 페르미온 둘이 딱 달라 붙어 있으면 둘의 스핀이 거시적으로 봤을 때 통합되는데, 이 때 반정수 스핀이 합연산 혹은 차연산 되면서 정수 스핀만이 남는 것.
[2]
2014년 성과우수과제_한국과학기술원 조용훈 교수팀
[3]
기사의 설명이 틀렸는데 음의 질량을 가진 물질을 만든게 절대로 아니다. 실제 질량은 양의 질량이 맞지만 몇가지 부분에서 마치 음의 질량을 가진 것처럼 운동하는 물질을 만들었다는 소리다. 당연히 실제 질량은 양의 값이니 중력이 반대로 작용하지도 않고 다른 물질을 밀어내지도 않는다.