절대영도 바로 위까지 냉각된 원자 구름
중국 과학자들이 중국 우주정거장의 멍톈 실험실 모듈에서 루비듐 원자 구름을 9.7피코켈빈에 해당하는 온도까지 냉각하고, 7초 동안 팽창을 관측했다고 연구팀이 밝혔다. 이번 성과는 이례적으로 낮은 온도와 긴 관측 시간을 결합했다. 이 두 조건은 과학자들이 중력을 측정하고 양자 거동을 더 정밀하게 연구하는 데 도움이 될 수 있다.
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중국과학원 우주응용공정기술센터는 2026년 11월 6일 이 성과를 발표했다. ‘우주에서 10피코켈빈 미만의 양자 기체’라는 제목의 연구는 학술지 사이언스에 온라인으로 게재됐다. 센터는 베이징대, 상하이광학정밀기계연구소와 함께 프로젝트를 이끌었다.
연구팀은 이번 성과가 인공 물질을 가장 낮은 온도로 냉각한 기록이라고 설명했다. 9.7피코켈빈은 2021년 브레멘대 연구팀이 달성한 38피코켈빈의 약 4분의 1이며, 2022년 국제우주정거장에 설치된 미국 항공우주국(NASA)의 콜드 아톰 래버러토리가 기록한 52피코켈빈의 5분의 1에도 못 미친다.
1피코켈빈은 1켈빈의 1조분의 1이다. 따라서 이번 수치는 절대영도보다 0.0000000000097켈빈 높은 온도에 해당하며, 이는 섭씨 영하 273.15도에 해당한다. 과학자들은 방출된 원자들이 극도로 느리게 팽창하는 정도를 바탕으로 이 온도를 환산한다. 이 온도는 장치 안에 있는 미세한 원자 구름의 운동을 나타낸다.
지구에서 약 400킬로미터 떨어진 곳에서 진행된 이번 실험은 우주정거장의 미세중력 환경을 활용해 원자를 붙잡아 두는 힘을 약화하고, 지상의 소형 실험실에서 가능한 것보다 더 오랫동안 원자 구름을 관측했다.
원자 냉각의 의미
루비듐 원자는 보통 여러 방향으로 다양한 속도로 움직인다. 냉각은 원자 무리 안에서 무작위로 일어나는 운동을 줄인다. 매우 낮은 온도와 적절한 밀도에서는 원자들이 보스-아인슈타인 응축체를 형성할 수 있다. 이는 많은 원자가 하나의 공통된 양자 상태를 공유하며 집단적으로 거동하는 상태다.
응축체는 연구자들에게 일반적으로 개별 입자에서 관측되는 효과를 연구할 수 있는 더 크고 제어 가능한 시스템을 제공한다. 빠르게 움직이는 원자 한 개를 추적하는 대신, 과학자들은 질서 있는 원자 구름을 만든 뒤 주변 환경을 바꾸고 그 반응을 측정할 수 있다.
이번 실험에서 환산 온도는 원자 구름을 방출한 뒤 얼마나 느리게 퍼지는지에 따라 산출됐다. 원자들의 상대 운동이 거의 없는 구름은 매우 느리게 팽창한다. 이 팽창을 관측하면 연구자들이 운동에 따른 에너지를 알아낼 수 있다.
열역학 법칙상 절대영도에 도달하는 것은 불가능하다. 실제 목표는 약한 효과를 드러내고 유용한 실험 조건을 더 오래 유지할 수 있을 만큼 원자의 운동을 줄이는 것이다. 이번 실험에서는 7초의 관측 시간이 성과의 핵심이다.
우주에서 7초가 중요한 이유
지구의 중력은 냉각 실험에 서로 연관된 두 가지 문제를 일으킨다. 연구자들이 원자를 가두는 장치를 약화하면 원자를 아래쪽으로 끌어당기고, 방출된 원자 구름이 관측실 안에 머물 수 있는 시간도 제한한다. 장치를 약하게 만들면 냉각에 도움이 되지만, 중력에 맞서 원자를 지탱하는 능력은 떨어진다.
우주정거장과 실험실 장비는 함께 지구 주위를 낙하한다. 이로 인해 미세중력 상태가 형성돼 원자들은 훨씬 약한 구속만으로도 장치 근처에 머물 수 있다. 그러면 과학자들은 원자를 더 냉각하고 팽창을 더 오래 관측할 수 있다.
2001년 노벨 물리학상 수상자이자 매사추세츠공과대학(MIT) 물리학 교수인 볼프강 케털레는 지구에서 7초 동안 진행하는 실험의 규모를 다음과 같이 설명했다.
지구에서는 약 250미터 아래로 떨어질 것입니다. 높이가 250미터인 진공 챔버가 없다면 실제로 바닥에 부딪히겠죠.
궤도 실험실은 소형 장비 안에서 이처럼 긴 관측 기회를 제공한다. 지상의 연구자들은 원격으로 장비를 작동하며 자동 제어 시스템을 이용해 정교하게 시간을 맞춘 냉각 절차를 수행한다.
레이저가 원자 덫이 되는 과정
장치에는 원자 공급원으로 약 5그램의 금속 루비듐이 들어 있다. 금속을 가열해 증기를 방출하는 것으로 절차가 시작된다. 레이저와 자기장이 증기에서 원자를 포획해 먼저 냉각한 뒤, 연구팀은 원자를 레이저 빛으로 만든 덫으로 옮긴다.
연구자들은 교차하는 광학 덫을 두 단계로 사용한다. 광학 덫에서는 정교하게 배치한 레이저 빔이 힘을 가해 원자를 좁은 영역에 가둔다. 빛의 세기를 낮추면 덫이 얕아져 에너지가 높은 원자들이 빠져나간다. 남은 원자들의 평균 에너지는 낮아지는데, 이를 증발 냉각이라고 한다.
마지막 단계에서는 비단열 팽창을 사용한다. 이는 구속 조건을 제어된 방식으로 바꿔 원자 구름이 팽창하도록 하고, 유효 온도와 관련된 운동을 더 줄이는 과정이다. 이 단계들을 거쳐 루비듐 원자 구름의 온도는 10피코켈빈 아래로 내려갔다.
미세중력은 기술적 어려움도 만들었다. 광학 덫에서 증발 냉각의 효율이 떨어진 것이다. 연구팀은 공간에 따라 세기가 달라지는 자기장인 자기장 기울기를 추가로 활용하는 방법을 개발해 냉각 과정을 돕고 순도가 높은 응축체를 만들었다.
고도 냉각 단계의 핵심 도구는 광학 덫이며, 자기장은 준비 과정의 일부를 보조한다. 이 역할들을 조율하려면 레이저 세기와 타이밍, 주변 교란을 정밀하게 제어해야 한다.
국제우주정거장과는 다른 방식
NASA의 콜드 아톰 래버러토리는 원자 칩으로 만든 자기 덫, 고주파 증발 냉각, 짧은 펄스를 이용한 마지막 냉각 기법을 사용해 왔다. 반면 중국 연구팀은 광학 구속과 빛의 세기로 제어하는 증발 냉각, 팽창을 이용한 심층 냉각을 선택했다.
연구자들은 광학 덫이 향후 실험에 유용한 유연성을 제공하고, 구속 과정에서 자기장 간섭에 대한 민감도를 낮춘다고 말한다. 여러 레이저 빔을 이용하면 양자 시뮬레이션에 유용한 구조도 만들 수 있다. 양자 시뮬레이션은 제어 가능한 원자 시스템으로 다른 물리 시스템의 일부 특성을 재현하는 연구다.
앞선 기록은 두 가지 비교 기준을 제공한다. 브레멘 연구팀은 2021년 낙하탑을 이용해 짧은 미세중력 상태를 만들고 38피코켈빈을 달성했다. 국제우주정거장 실험은 2022년 52피코켈빈에 도달했다. 중국이 보고한 9.7피코켈빈은 브레멘 기록보다 약 3.9배 낮고, 앞선 궤도 실험 기록보다 약 5.4배 낮다.
이번 실험은 온도 기록과 함께 7초 동안 팽창을 관측했다. 정밀 실험을 준비하는 연구자들에게는 온도 기록만 달성하는 것보다 원자 구름이 느린 상태를 더 오래 유지해 관측할 수 있는 것이 더 유용할 수 있다.
실험실 한 공간에서 궤도 실험 장비로
지상 장비는 부피가 약 20세제곱미터이고 무게는 약 10톤이었다. 공학 설계 자료에 따르면 궤도용 통합 장비는 부피가 약 0.7세제곱미터, 무게가 500킬로그램이다. 센터 발표에는 부피 1세제곱미터 미만, 무게 약 300킬로그램, 소비전력 약 700와트라는 설명도 나온다. 제시된 무게가 다른 이유는 설명되지 않았다.
상세한 공학 수치를 기준으로 보면 궤도 시스템의 부피는 지상 시스템의 약 29분의 1이며, 무게는 20분의 1이다. 이처럼 크기를 줄이려면 레이저, 정밀 광학 장비, 진공 장비와 전자 제어 장치가 제한된 공간 안에서 함께 작동해야 했다.
개발진은 레이저 시스템에 광섬유 연결을 사용하고, 정밀 레이저 제어와 초고진공, 자동화 전자 장치, 진동 차단 기술을 적용했다. 진공은 원치 않는 기체 입자와의 충돌을 줄이고, 진동 차단은 섬세한 원자 구름을 흐트러뜨릴 수 있는 기계적 교란을 제한한다.
장비는 모듈형으로 설계됐다. 연구자들은 다양한 연구에 맞춰 실험 모듈과 시간 순서를 선택할 수 있어, 하나의 냉각 시연에 그치지 않고 같은 플랫폼에서 여러 종류의 양자 연구를 수행할 수 있다.
발사 전 거둔 중요한 돌파구
이 프로젝트는 장비가 궤도에 오르기 훨씬 전인 2011년 초기 평가를 시작했다. 2021년 말, 연구팀이 후속 냉각 단계에 필요한 보스-아인슈타인 응축체를 만드는 데 거듭 실패하면서 중대한 난관에 부딪혔다.
개발진은 장비를 계획된 비행에 포함할지 결정하기 전 문제를 해결할 수 있도록 추가로 10일을 확보했다. 연구팀은 시스템 전반의 하드웨어와 소프트웨어를 점검하고 조정했다. 집중적인 문제 해결 작업 끝에 2022년 1월 8일 이른 시간 응축체가 만들어져 발사를 향한 중요한 단계가 마무리됐다.
주요 이정표는 10년 이상에 걸쳐 이어졌다:
- 2011년: 우주정거장 초저온 원자 실험의 초기 평가가 시작됐다.
- 2021년 말: 응축체 생성에 어려움을 겪으면서 장비를 예정된 비행에 포함하는 일이 위태로워졌다.
- 2022년 1월 8일: 집중적인 문제 해결 작업 끝에 연구팀이 필요한 응축체를 만들었다.
- 2022년: 실험 장비가 멍톈 실험실 모듈을 타고 우주정거장으로 이동했다.
- 2026년 11월 6일: 9.7피코켈빈 성과가 발표되고 연구가 사이언스에 온라인 게재됐다.
베이징대 저우샤오지 교수와 상하이광학정밀기계연구소의 천웨이뱌오 연구원이 공동 교신저자에 포함됐다. 공동 제1저자로는 상하이 연구소의 리탕 연구원과 베이징대의 슝웨이, 진성제 연구원이 이름을 올렸다.
더 긴 측정으로 더 약한 효과를 포착할 수 있다
새 플랫폼의 혜택을 받을 수 있는 장비 중 하나는 원자 간섭계다. 원자의 파동 특성을 활용해 원자파를 분리했다가 다시 합친 뒤, 그 결과로 나타나는 패턴을 통해 가속도나 중력 같은 효과를 알아낸다.
독일 라이프니츠 하노버대 물리학 교수인 에른스트 M. 라젤은 이러한 장비에 필요한 조건을 다음과 같이 설명했다.
원자 간섭계는 초저온 상태의 원자 집합에서 많은 원자를 제공하고 관측 시간을 길게 확보할 수 있는 원자 공급원이 있으면 큰 이점을 얻습니다.
라젤은 원자 간섭계의 민감도가 원자가 장비 안에 머무는 시간의 제곱에 비례해 높아진다고 설명했다. 다른 조건이 같다면 시간을 두 배로 늘릴 경우 측정 대상 효과에 대한 반응은 네 배 커질 수 있다. 따라서 관측 시간을 늘리는 것은 매우 작은 신호를 측정할 때 특히 중요하다.
그가 다음 단계로 꼽은 것은 원자파를 몇 초 동안 결맞음 상태로 분리해 유지하는 궤도 간섭계다. 결맞음이란 파동을 다시 합쳤을 때 유용한 측정 결과를 얻을 수 있도록 파동 간의 관계를 유지하는 것을 뜻한다. 원자 구름을 7초 동안 관측한 이번 성과는 이러한 능력을 개발하기 위한 출발점이다.
연구자들은 지구 중력 지도 작성, 항법, 위성 궤도 결정에 응용할 수 있을 것으로 보고 있다. 빙하와 해류의 변화도 더 정밀한 중력 측정으로 추적할 수 있다. 이동하는 물과 얼음이 지구 질량의 분포를 바꾸기 때문이다.
양자 실험을 위한 플랫폼
광학 시스템은 원자를 결정과 비슷한 배열로 붙잡는 레이저 빛의 패턴인 광학 격자를 구현할 수 있다. 연구자들은 배열과 상호작용을 바꿔 입자 집단이 통제된 조건에서 어떻게 거동하는지 연구할 수 있다.
천웨이뱌오 연구원은 양자 상전이, 상호작용하는 다수의 양자 입자 거동, 기초 물리 이론 검증을 가능한 연구 분야로 꼽았다. 프로젝트는 초기 우주와 관련된 시뮬레이션, 초경량 암흑물질 탐색, 힉스 모형 관련 연구도 제안된 연구 방향에 포함했다.
이들은 각기 다른 설계와 측정이 필요한 향후 실험들이다. 당장의 성과는 극도로 느린 원자를 만들고 이를 연구할 시간을 늘린 것이다. 연구자들은 우주에서 양자 센서와 원자시계를 활용할 가능성도 보고 있다.
중국 유인우주 프로그램 우주응용시스템 총설계자이자 우주응용공정기술센터 부주임인 뤼충민은 전 세계 연구자들에게 이 시설을 활용해 실험하고 실험 기회를 공유해 달라고 요청했다. 신청 일정이나 제안된 후속 실험의 시기는 발표되지 않았다.
케털레는 이번 성과를 “원자 온도 측정과 정밀 측정을 발전시키는 훌륭한 출발점”이라고 평가했다. 원자 시스템의 온도를 측정하는 원자 온도 측정법은 이런 실험을 이해하고 개선하는 데 계속 중요한 역할을 할 것이다.
핵심 내용
- 중국 우주정거장 연구팀은 루비듐 원자 구름을 9.7피코켈빈에 해당하는 온도로 냉각하고, 7초 동안 팽창을 관측했다고 밝혔다.
- 실험은 2022년 발사된 장비를 이용해 멍톈 실험실 모듈에서 진행됐다.
- 보고된 온도는 2021년 브레멘에서 달성한 38피코켈빈과 2022년 국제우주정거장에서 달성한 52피코켈빈보다 낮다.
- 냉각 과정은 광학 덫, 자기장 기울기의 도움을 받는 증발 냉각, 비단열 팽창을 결합했다.
- 향후 연구 분야로는 양자 시뮬레이션, 원자 간섭계, 중력 측정, 기초 물리학 검증 등이 거론된다.
