[화담일보=윤이솔기자] 중국 연구진이 중국 우주정거장에서 루비듐 원자 구름을 9.7피코켈빈까지 냉각하고 7초 동안 안정적으로 관측하는 데 성공해 인류가 달성한 최저 온도 기록을 세웠다고 발표했다. 차이나데일리의 11월 6일 보도에 따르면 중국과학원은 우주정거장 프로그램 설명회에서 이 결과를 공개했다. 연구 결과는 같은 날 국제학술지 사이언스에 게재됐다.
이번에 발표된 온도는 절대영도에 극도로 가까운 수준이다. 절대영도는 이론적으로 가능한 최저 온도로 섭씨 약 영하 273.15도에 해당한다. 종전 최저 온도 기록은 독일 연구팀이 2021년 달성한 38피코켈빈이었다.
원자는 끊임없이 무작위 열운동을 하며, 원자를 냉각한다는 것은 이 움직임을 늦추는 것을 의미한다. 절대영도 부근에서는 원자의 움직임이 거의 멈추고 정돈된 양자 상태가 형성돼 이를 연구할 수 있다. 절대영도에 가까워지면 원자의 드브로이 파장이 관측 가능한 규모로 길어져 양자 효과를 더 뚜렷하게 관찰하고 제어할 수 있다.
실험은 중국 우주정거장의 초저온 원자 물리 실험 장치에서 이뤄졌다. 사업은 2011년 타당성 연구로 시작됐으며 실험 시스템은 2022년 멍톈 모듈과 함께 발사됐다. 중국과학원 우주응용공정기술센터가 사업을 조직하고 베이징대와 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소가 연구를 수행했다. 중국 유인우주사업 우주응용시스템의 왕창 총지휘자는 전체 시스템과 과학팀, 공학팀의 긴밀한 협력으로 얻은 결과라고 말했다.
연구진은 빛으로 원자 구름을 붙잡는 전광학 포획 방식을 사용했다. 이어 레이저 강도를 낮춰 증발 냉각을 진행한 뒤 ‘비단열 확산’이라는 추가 냉각 단계를 적용했다. 이 방식은 자기장으로 원자를 가두는 방식보다 구현하기 어렵지만 자기 간섭에 덜 민감하고, 우주에서 정밀하게 제어하기 쉬우며, 광학적으로 접근할 수 있는 경로가 많다는 장점이 있다. 이에 따라 더 다양한 양자 모사 실험에 활용할 수 있다.
미세중력 환경도 낮은 온도를 구현하는 조건이 됐다. 원자를 더 약한 힘으로 가둘 수 있어 온도를 낮추고 관측 시간을 늘릴 수 있기 때문이다. 원자 관측 시간은 지상 실험에서 약 0.05초, 국제우주정거장에서 약 1초이며 이번 중국 우주정거장 실험에서는 7초였다. 논문 공동 제1저자인 슝웨이는 관측 시간이 길수록 새롭고 미약한 물리 현상을 발견할 가능성이 커진다고 설명했다.
우주에 실험 장치를 싣기 위한 소형화도 진행됐다. 연구진은 부피 약 20㎥, 무게 10톤인 지상 실험 시스템을 0.7㎥, 0.5톤 규모의 장치로 통합했다. 이 과정에서 초고진공 시스템, 고출력 광섬유 레이저, 장기간 레이저 주파수 안정화, 고정밀 광학 통합과 관련한 기술 과제를 해결했다. 상하이광학정밀기계연구소의 리탕 연구원은 엄격한 항공우주 요건 아래 여러 첨단 기술을 집약하는 것이 공학적 과제였다고 말했다.
초저온 원자 실험은 양자 모사를 위한 연구 플랫폼을 제공하며 정밀 원자시계와 원자 간섭계 기반 관성 측정, 양자컴퓨팅 등의 기술을 뒷받침한다. 상하이광학정밀기계연구소의 천웨이뱌오 연구원은 이번 성과가 극저온에서의 상전이, 비평형 동역학, 양자 다체 상관관계를 연구하고 초기 우주 모사와 초경량 암흑물질 탐색 연구를 지원할 수 있다고 밝혔다. 중국 유인우주사업 우주응용시스템의 뤼충민 총설계자는 세계 각국 과학자들에게 해당 장치를 이용한 실험 연구 참여를 제안했다.
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