초유동체란 무엇이고 왜 중요할까요?

초유동체란 무엇이고 왜 중요할까요?

초유동체란 무엇일까요? 초유동체(superfluid) 또는 초유체의 가장 명백한 정의는 점성과 표면장력이 전혀 없으며, 흐를 때 소용돌이가 존재하지 않는 액체의 상태를 말합니다. 고체에서 발생한다면 초고체라고도 부릅니다. 그리고 이 초유동체를 예를 들어 설명한다면, 우리가 액체를 양동이에 넣고 초유동 상태로 냉각되는 동안 천천히 회전시키면, 양동이와 함께 처음에 회전하는 액체는 정지하는 것처럼 보일 것입니다. 초유동성에 대한 이론적인 이해는 매우 많은 수의 원자 혹은 전자가 동일한 양자 역학적 행동을 보인다는 생각에 기초합니다. 즉, 시스템은 일관되고 양자 역학적 파동 함수에 의해 설명됩니다. 원자 내의 단일 전자는 임의의 궤도에서 핵 주위를 회전할 수 없으며 오히려, 양자 역학은 그것의 각운동량이 0을 포함한 h/2π의 배수가 되도록 양자화되는 방식으로 회전할 것을 요구합니다. 예를 들어, 이것은 원자 반마그네티즘 현상의 기원입니다. 마찬가지로, 고리 모양의 용기에 들어 있는 단일 원자 또는 분자는 양자역학에 의해 0을 포함한 특정 속도만으로 고리 주위를 이동할 수 있습니다. 물과 같은 일반적인 액체에서, 열 장애는 원자가 평균 속도가 정량화되지 않는 방식으로 이용 가능한 다른 양자화된 상태들에 분포되도록 보장합니다. 따라서 용기가 회전하고 액체가 평형 상태가 될 수 있는 충분한 시간이 주어질 때, 그것은 용기와 함께 회전합니다. 이는 액체 헬륨에서 발견된 현상이며, 과학자들은 람다 온도의 차이를 이용하여 초유동 현상의 원리를 설명하고 있습니다. 이런 초유동체는 초전도체처럼 양자 세계의 현상이 거시 세계에서 작동하는 예외적인 사례 가운데 하나입니다. 오늘날 초유체는 헬륨 동위원소와 초저온 원자 기체에서 직접적으로 관찰할 수 있는 것입니다. 이것은 중성자별 같은 곳에서 발생한다고 추측되며, 반도체에서 발견되는 전자와 엑시톤 같은 다른 일반적인 곳에서도 존재한다는 것을 뒷받침하는 정황적 증거도 있습니다. 그렇다면 이런 초유동체는 어떻게 발견되었을까요? 헬륨-4는 1908년에 액화되었지만, 1936년과 1937년이 되어서야 과학자들이 현재 람다 포인트라고 부르는 절대 온도 2.17도 이하에서 헬륨-4가 그 당시 알려진 다른 물질과 다른 특성을 가지고 있다는 것을 알아냈습니다. 특히 현재 He-II로 알려진 저온 단계의 열전도율은 매우 커서 대류 메커니즘이 있지만 점성이 비정상적으로 낮습니다. 1938년 모스크바의 표트르 카피차와 케임브리지 대학의 존 앨런과 돈 미세너는 온도 함수로써 얇은 관에 포함된 헬륨의 점도의 행동을 직접 측정했습니다. 두 그룹 모두 람다 점에서 간헐적으로 나타나는 He-II의 감소를 발견했습니다. 초전도성과의 유사성에 기초하여, 카피차는 이 행동에 초유동체라는 말을 붙였고, 이렇게 초유동체는 발견되었습니다. 그러면 초유동체와 초전도체 사이의 관계는 어떻게 될까요? 우리의 현대적 이해에 따르면, 초전도체는 전하를 띤 시스템에서 발생하는 초유동체에 불과합니다. 초유동성의 액체가 좁은 모세관을 따라 마찰 없이 영원히 흐를 수 있는 것처럼, 초전도 고리에서 시작된 전류도 거의 영원에 가까운 긴 시간 동안 흐를 수 있습니다. 하지만 헤스-페어뱅크 효과 내에서의 유사성은 조금 덜 직관적입니다. 직접적인 유사점으로 자기장이 금속 표면에 가해졌을 때, 정상적이고 초전도적이지 않은 상태는 거의 영향을 미치지 않는다는 점이 존재합니다. 그러나 금속이 초전도 상태일 때는 전류, 즉 반자성을 유도합니다. 얇은 고리에서는 이것이 이야기의 끝이지만, 대량 샘플에서는 이 전류가 외부의 자기장과 반대 방향으로 자기장을 유도하고, 결국 후자는 금속에서 완전히 차단되고는 합니다. 이것은 소위 마이스너 효과로, 초전도 부양과 같은 화려한 현상으로 이어집니다. 그렇다면 초유동체를 이해하면 어떤 유형의 발전을 이룰 수 있을까요? 초유동체 헬륨을 직접적으로 사용할 일은 사실 매우 적습니다. 헬륨-4의 초유체 위상은 열전도율이 매우 높기 때문에 고장 자석에 탁월한 냉각제이며, 두 동위원소 모두 이국적인 입자의 검출기로 사용됩니다. 초유동체의 다른 독특한 간접적인 응용이 있지만, 이론의 발전과 고온의 초전도성을 이해하는 데에는 가장 유용합니다.