헬륨 초고체의 실마리 찾다

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2004년 헬륨 초고체를 찾아냈던 과학자가 2010년에는 헬륨 초고체에 숨겨진 상(象)을 발견했다. 주인공은 KAIST 물리학과 김은성 교수(초고체양자물성 창의연구단장)이다. 과학 교과서에서는 물질의 상태를 고체, 액체, 기체 3가지로 나눠 설명한다. 하지만 물리학자들은 여러 연구를 통해 이런 설명되지 않는 초유체, 초고체 등의 상태도 있다는 것을 밝혔다. 초고체는 -273℃(200 mK)의 극저온에서 일부 고체 헬륨의 점성이 완전히 사라진 상태를 말한다. 김 교수는 2004년 이 사실을 세계 최초로 발견해 네이처와 사이언스에 보고했다. 하지만 지금껏 이런 현상이 왜 일어나는지에 대해서는 알지 못했다. 최근 김은성 교수와 최형순 박사팀은 ‘비틀림진동자’라는 초정밀 분석장치로 초고체 상태에 숨겨진 상(像)을 발견했다. 이로써 초고체 상태가 왜 일어나는지를 풀 수 있는 열쇠를 쥐게 된 셈이다. 초고체는 진동과 온도에 의존성을 보인다. 김 교수팀은 이 사실을 이용해 특정 온도에서 초고체를 약하게 진동시키다 갑자기 강하게 진동시켰다. 그리고 이때 나오는 반응으로 초고체의 움직임을 실시간으로 분석했다. 그 결과 온도에 따라 초고체의 반응이 크게 다르다는 사실을 알아냈다. 또 진동 세기를 변화시켰을 때 ‘이력 현상’을 발견했다. 이력현상은 어떤 상태가 변화를 겪을 때 그 변화를 이끈 조건이 사라져도 이전의 상태로 돌아가지 않는 것을 말한다. 김 교수는 “이 결과로 초고체 상태도 여러 단계의 서로 다른 안정한 상태가 존재함을 알 수 있다”며 “이번 연구결과로 21세기 순수물리의 최대 발견 중 하나로 꼽히는 초고체 상태에 대한 이해를 넓히고 초고체 연구 분야에서 세계를 주도하는 위치에 서게 됐다”고 말했다. 이번 연구결과는 4월 5일 세계적 학술지인 ‘네이처 피직스’(Nature Physics) 온라인 판에 게재됐다.

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