미세한 소용돌이에 대한 새로운 관찰을 통해 중성자별 내부에서도 발생할 수 있는 역설적인 물질 상태의 존재가 확인되었습니다.
소개
오스트리아 알프스의 들쭉날쭉한 봉우리 사이에 자리잡은 실험실에서 희토류 금속이 전투기의 속도로 기화되어 오븐에서 분출됩니다. 그런 다음 레이저와 자기 펄스의 혼합으로 가스의 속도가 거의 정지되어 우주 깊이보다 차갑게 만듭니다. 가스 속 약 50,000개의 원자는 정체성을 잃고 하나의 상태로 합쳐집니다. 마침내 주변 자기장이 뒤틀리면서 작은 토네이도가 소용돌이치며 어둠 속에서 피루엣으로 존재하게 됩니다.
3년 동안 물리학자 프란체스카 페를라이노(Francesca Ferlaino)와 인스브루크 대학의 그녀 팀은 이러한 양자 규모 소용돌이의 활동을 이미지화하기 위해 노력했습니다. “많은 사람들이 이것이 불가능할 것이라고 말했습니다.” Ferlaino는 이번 여름 자신의 연구실을 견학하는 동안 말했습니다. "하지만 저는 우리가 해낼 것이라고 확신했습니다."
이제 오늘 Nature에 게재된 논문에서 , 그들은 초고체로 알려진 이국적인 물질 단계의 오랫동안 추구해 온 특징을 확인하는 소용돌이의 스냅샷을 게시했습니다.
초고체는 고체 중에서 가장 강하고 유체 중에서 가장 유동적인 역설적인 물질 상태로, 1957년 예측 이후 응집 물질 물리학자들을 매료시켰습니다. 이 단계에 대한 힌트는 점점 늘어나고 있지만 새로운 실험에서는 초고체의 존재에 대한 마지막 주요 증거를 확보했습니다. 저자들은 초고체에서 형성되는 소용돌이가 고온 초전도체부터 천체에 이르기까지 다양한 시스템의 특성을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.
소용돌이는 우주의 가장 극단적인 조건에서 물질이 어떻게 행동하는지 보여줄 수 있습니다. 중성자별(불탄 별의 극도로 밀도가 높은 시체)을 회전시키는 펄서는 초고체 내부를 가지고 있는 것으로 의심됩니다. "이것은 실제로 중성자별에 대한 정말 좋은 아날로그 시스템입니다"라고 영국 런던 대학교 로얄 홀로웨이(Royal Holloway)의 물리학자이자 이 별을 전문으로 연구하는 바네사 그래버(Vanessa Graber)는 말했습니다. "정말 기대됩니다."
딱딱하고 묽은
다양한 종류의 물질로 가득 찬 양동이를 회전시키는 것을 상상해 보십시오. 양동이와 재료의 견고한 원자 격자 사이의 마찰로 인해 고체가 용기와 함께 회전합니다. 반면에 액체는 내부 마찰이 적기 때문에 양동이 중앙에 큰 소용돌이가 형성됩니다. (외부 원자는 양동이와 함께 회전하고 내부 원자는 뒤쳐집니다.)
특정 액체를 차갑고 희박하게 만들면 해당 원자가 더 먼 거리에서 상호 작용하기 시작하여 결국 마찰 없이 완벽하게 흐르는 하나의 거대한 파도로 서로 연결됩니다. 이러한 소위 초유체는 1937년 러시아와 캐나다 물리학자들에 의해 헬륨에서 처음 발견되었습니다.
인스브루크 대학교의 물리학자인 프란체스카 페를라이노(Francesca Ferlaino)는 초고체의 특징을 관찰했습니다.
M 반도리/인스부르크 대학교
초유체 양동이를 회전시키면 양동이가 그 주위를 회전하더라도 정지 상태를 유지하게 됩니다. 초유체는 여전히 버킷과 마찰하지만, 컨테이너가 특정 회전 속도에 도달할 때까지 재료는 마찰에 전혀 영향을 받지 않습니다. 이 시점에서 초유체는 회전하려는 충동에 저항하여 갑자기 단일 양자 소용돌이, 즉 양동이 바닥까지 뻗어 있는 무의 기둥을 둘러싸는 원자의 소용돌이를 생성합니다. 계속해서 컨테이너의 속도를 높이면 완벽한 토네이도가 가장자리에서 더 많이 쏟아져 나올 것입니다.
초유체가 발견된 지 20년 후, 미국의 물리학자 유진 그로스(Eugene Gross)는 동일한 양자 집단주의가 고체에서도 나타날 수 있다고 제안했습니다. 물리학자들은 이 기괴한 초유체-고체 하이브리드가 존재할 수 있는지 수십 년 동안 논쟁을 벌였습니다. 결국, 초고체에 대한 이론적 그림이 나타났습니다. 초유체 주변의 자기장을 조정하면 원자가 서로 뭉치기 시작하는 방식으로 원자 사이의 반발력을 줄일 수 있습니다. 이러한 덩어리는 모두 자기장에 맞춰 정렬되지만 서로 밀어내며 이상한 마찰 없는 동작을 유지하면서 결정 패턴으로 자가 조직됩니다.
초고체를 회전하는 양동이에 넣으면 원자가 동시에 이동하여 덩어리의 격자가 고체처럼 컨테이너와 함께 회전하는 것처럼 보입니다. 그러나 초유체처럼 충분히 빠르게 회전하면 물질은 여전히 소용돌이로 튀어나와 원자 덩어리 사이에 고정됩니다. 초고체는 단단하면서도 묽은 상태가 됩니다.
그로스의 예측으로 인해 실험실에서는 초고체를 찾기 위한 오랜 노력이 시작되었습니다.
페를라이노 그룹
연구자들은 2004년에 처음으로 발견을 발표했지만 그들의 주장을 철회했습니다. 2017년에 새로운 활동이 폭발적으로 일어났고, 2019년에는 슈투트가르트, 플로렌스, 인스부르크의 그룹이 1차원 시스템에서 유망한 초고체성 신호를 발견했습니다. 이 그룹은 작은 막대 자석처럼 작용할 만큼 본질적으로 자성을 띠는 디스프로슘과 에르븀 원자의 가스로 시작했습니다. 자기장을 가하면 원자가 자연적으로 규칙적인 간격의 덩어리로 그룹화되어 결정 격자를 형성하게 됩니다. 그런 다음 연구원들이 온도와 밀도를 낮추자 원자 사이의 상호 작용으로 인해 원자가 초유체의 모든 특징을 갖춘 하나의 응집성 파동으로 자연적으로 진동하게 되었습니다.
인스브루크 팀의 대학원생인 Elena Poli는 2019년 실험을 통해 초고체의 "두 경쟁 성격"을 엿볼 수 있었다고 말했습니다. 그 이후로 그룹은 추정 초고체를 1차원에서 2차원으로 확장하고 다양한 예측 특성을 조사했습니다.
그러나 MIT의 물리학자이자 슈투트가르트 팀의 전 멤버였던 Jens Hertkorn은 "기본적으로 빠진 것은 초고체에 대한 연기나는 증거"라고 말했습니다. 초유동성의 특징은 회전 시 생성되는 소용돌이 배열입니다. 수년간의 노력에도 불구하고 "아무도 이전에 초고체를 성공적으로 회전시킨 적이 없습니다"라고 Hertkorn은 말했습니다.
초고체 회전하기
초고체가 회전에 어떻게 반응하는지 관찰하기 위해 인스부르크 연구진은 자기장을 숟가락으로 사용하여 원자의 내부 자기장을 초당 약 50회 휘저었습니다. 이는 소용돌이를 유발할 만큼 빠르지만 양자 위상을 보존할 만큼 충분히 부드럽습니다. "아주 아주 민감한 상태입니다. 작은 변화라도 생기면 파괴될 것입니다."라고 Ferlaino는 말했습니다.
그 작은 사이클론을 발견하는 것은 더 큰 도전이었습니다. 이 그룹은 양자 폭풍을 추적하는 데 3년을 보냈습니다. 결국 그들은 트렌토 대학의 물리학자인 알레시오 레카티(Alessio Recati)의 제안을 2022년부터 실행했습니다. 그는 더 높은 대비로 소용돌이를 이미지화하기 위해 초고체 상태에서 소용돌이를 형성한 다음 물질을 다시 초유체로 녹이는 것을 제안했습니다.
인스브루크 대학교 프란체스카 페를라이노(Francesca Ferlaino) 연구실.
패샤이더
작년 초 어느 금요일 저녁, 세 명의 대학원생이 노트북을 들고 인스브루크 캠퍼스 근처의 어두운 술집에 들이닥쳤습니다. 그들은 양자 가스에서 토네이도를 포착했음을 확인한 팀의 박사후 연구원 두 명을 찾고 있었습니다. 박사후 연구원 중 한 명인 Thomas Bland는 "매우 흥미로웠습니다."라고 말했습니다. 대학원생들은 연구실로 돌아왔고 블랜드와 그의 동료는 축하 라운드를 위해 머물렀다.
실험에 참여하지 않은 Recati는 "우리 모두는 그것이 양자 소용돌이라고 믿습니다."라고 말했습니다. 그는 실험자들이 이론적 예측을 완전히 확증하기 위해 토네이도의 회전 속도를 측정하기를 기다리고 있지만 이미지만으로도 만족스러운 검증이라고 그는 말했습니다. "이것은 전체 물리학 커뮤니티와 매우 관련이 있습니다."
Hertkorn은 다른 그룹에서 재현된 결과를 보고 다양한 실험 조건에 따라 신호가 어떻게 변하는지 추적하려고 합니다. 그럼에도 불구하고 그는 이렇게 어려운 측정을 끈기 있게 수행한 인스브루크 팀을 칭찬합니다. "이것이 관찰 가능하다는 것은 실험적으로 매우 인상적입니다."라고 그는 말했습니다.
우주 연결
지난 5월, Ezequiel Zubieta는 부에노스아이레스 외곽의 작은 마을에서 스튜 롤을 먹으며 점심을 먹다가 노트북 화면에서 죽은 별이 경련을 일으키는 것을 목격했습니다. 라플라타 국립대학교 천문학과 대학원생인 Zubieta는 약 11,000년 전에 폭발한 거대한 별의 자화 잔재인 벨라 펄서의 놀랍도록 안정적인 회전을 추적해 왔습니다.
회전하면서 Vela는 인간이 만들 수 있는 최고의 시계에 필적하는 규칙적으로 초당 11번 지구에 번쩍이는 방사선 광선을 극에서 발사합니다. 하지만 그날 별은 평소보다 약 24억분의 1초 더 빠르게 회전했습니다.
수십 년 동안 천문학자들은 무엇이 이 거대한 물체의 회전 속도를 갑자기 높일 수 있는지 궁금해해 왔습니다. 많은 사람들은 이러한 펄서 결함이 독특한 우주 등대의 내부 작동 방식을 해독하는 데 도움이 되기를 바랍니다.
과학자들은 별의 시체가 중성자로 밀집되어 있다는 사실을 알고 있습니다. 중성자별 물질 1티스푼의 무게는 에베레스트 산만큼 무겁습니다. 그러한 조건에서 중성자에게 어떤 일이 일어나는지 아무도 확신하지 못합니다. 그러나 천문학자들은 별의 단단한 외부 지각 아래 층에서 가압된 중성자가 특이한 모양을 갖는 덩어리를 형성한다고 의심하며, 이를 종종 "핵 파스타"라고 부릅니다. 주요 모델은 뇨키, 스파게티, 라자냐와 유사한 단계를 특징으로 합니다.
2022년 회의에서 Ferlaino는 일부 천문학자들이 핵 파스타의 추정 품질에 대해 논의하는 것을 우연히 들었습니다. 많은 사람들은 파스타 같은 중성자 덩어리가 합쳐져 초유체를 형성할 것이라고 믿고 있지만, 그 물질이 어떻게 결함을 일으킬 수 있는지는 확실하지 않습니다. Ferlaino는 이러한 결함이 자신의 실험실에서 만들어낸 초고체의 징후일 수 있다고 의심하여 조사하기로 결정했습니다.
중성자별을 채우는 가압된 중성자는 "핵 파스타"로 알려진 다양한 모양을 취하는 것으로 생각됩니다.
페를라이노 그룹
작년에 그녀의 팀은 초고체에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 회전하는 중성자별 내부에 유사한 물질이 존재할 경우 어떤 일이 일어날지 모델링했습니다. 그들은 소용돌이가 형성된 후 그 중 하나가 떨어져 나와 이웃과 부딪혀 토네이도와 눈사태를 일으켜 에너지를 컨테이너로 전달할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 토네이도 충돌이 충분히 발생하면 중성자별의 회전 속도가 잠시 빨라져 결함이 발생할 수 있다고 그들은 제안했습니다.
몇 년 전에 중성자별에 대한 실험실 유사체에 대한 리뷰를 발표했던 Graber는 이 논문을 접하고 매우 기뻤습니다. “맙소사, 제가 사용할 수 있는 다른 것이 있습니다.” 그녀는 논문에 설명된 회전하는 초고체의 다양한 특성에 대해 생각했던 것을 회상했습니다. “텍스트를 읽는 것만으로도 ‘이것이 내가 가진 것이고, 이것이 내가 가진 것이고, 이것이 내가 가진 것이다’라는 생각이 들었습니다.”
이제 Ferlaino의 그룹은 초고체에서 소용돌이를 식별했으므로 토네이도가 어떻게 형성되고 이동하고 소멸되는지 조사할 계획입니다. 그들은 또한 펄서 결함에 대한 추정 메커니즘을 복제하여 눈사태의 소용돌이가 어떻게 실제 초고체의 회전 속도를 높일 수 있는지 보여주고 싶어합니다. 물리학자들은 또한 이 연구를 사용하여 고온 초전도체와 같이 소용돌이가 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 물질의 다른 이국적인 단계를 해독하기를 희망하고 있습니다.
한편, Graber 및 Zubieta와 같은 천문학자들은 이 연구가 펄서에 대한 새로운 진단 도구를 가능하게 해주기를 바라고 있습니다. 소용돌이 역학을 더 잘 이해하면 펄서 결함 관찰을 사용하여 핵 파스타의 구성과 행동을 추론할 수 있을 것입니다.
Graber는 "물리학이 작은 규모에서 어떻게 작동하는지 이해할 수 있다면 그것은 우리에게 정말 귀중한 것입니다."라고 말했습니다. "망원경을 사용하여 중성자별의 지각 내부를 볼 수는 없지만 본질적으로 손잡이가 있습니다."
초고체성을 자랑할 수 있는 다른 시스템을 찾고 있는 Ferlaino 그룹은 이러한 응용을 자연의 근본적인 연결성을 반영하는 것으로 보고 있습니다. "물리학은 보편적입니다."라고 그녀는 말했습니다. "우리는 게임의 규칙을 배우고 있습니다."
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