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[IT뉴스]中 우주정거장서 인류가 구현한 최저 온도 측정

온카뱅크관리자

2026-11-06 04:07:26

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> '절대영도'까지 1000억분의 1℃ 차이 
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 중국 우주정거장에서 광학 트랩(optical trap)에 가둔 원자들의 모습을 그린 이미지. 인류가 인공적으로 구현한 가장 낮은 온도다. Xiaoji Zhou/Peking University 제공
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 중국 과학자들이 우주정거장의 미세중력 환경에서 원자 2만여개를 '절대영도'와 고작 1000억분의 1℃밖에 차이 나지 않는 수준까지 냉각하고 움직임을 수 초 동안 관측하는 데 성공했다. 지금까지 인류가 인공적으로 구현한 가장 낮은 온도다.
 중국 베이징대와 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소 등 공동연구팀은 중국 우주정거장 '톈궁'에서 원자 기체를 9.7피코켈빈(pK)으로 냉각하는 데 성공하고 연구결과를 국제학술지 '사이언스'에 5일(현지시간) 발표했다.
 켈빈(K)은 절대온도의 단위로 이론상 에너지가 가장 낮은 0K은 섭씨로 영하 273.15℃에 대응한다. 1피코켈빈은 1조분의 1켈빈이다. 측정된 9.7피코켈빈은 원자들이 열평형 상태에 가까운 상태에서 측정한 일반적인 온도가 아니라 원자구름이 퍼져나가는 속도를 측정해 운동에너지에 대응하는 온도로 환산한 '등가온도'다.
 원자를 극저온으로 냉각하면 여러 원자가 하나의 양자상태를 공유하며 집단적으로 행동하는 '보스-아인슈타인 응축(BEC)' 현상이 나타난다. 이를 이용하면 양자 시뮬레이션과 정밀 계측, 중력과 양자역학의 관계를 검증하는 실험 등이 가능하다.
 지상에서는 물질의 온도를 낮추는 데 한계가 있다. 극도로 낮은 온도를 달성하려면 원자를 붙잡아 가두는 힘도 약하게 만들어야 한다. 지구 중력에서는 원자를 가두는 힘을 약하게 만들면 원자들이 밖으로 빠져나간다. 
 연구팀은 톈궁의 '멍톈' 실험 모듈에 설치된 극저온 원자물리학 실험장치(CAPR)를 활용해 미세중력 환경에서 루비듐(Rb)-87 원자들로 기체를 생성했다. 톈궁의 핵심 모듈 톈허는 2021년 4월, 멍톈 실험 모듈은 2022년 10월 발사됐다.
 기존에는 자기장을 이용한 원자칩 기반 포획장치로 우주에서 극저온 기체를 구현했다. 연구팀은 레이저 빛으로 원자를 가두는 '광학 쌍극자 포획장치(ODT)'를 이용해 우주에서 BEC를 구현하고 추가 냉각하는 데 성공했다.
 연구팀은 먼저 두 레이저 빔이 교차하는 광학 포획장치에서 에너지가 높은 원자를 선택적으로 제거하는 증발냉각 작업을 수행해 루비듐 원자 약 2만3000개를 3.1나노켈빈(nK, 1nK는 10억분의 1K)까지 냉각했다. 전체 원자 중 약 89%가 동일한 양자상태에 응축됐다.
 이후 원자를 더 넓은 공간에 가두는 두 번째 광학 포획장치로 옮기고 약 1.175초 동안 포획장치의 세기를 낮춰 원자구름을 서서히 팽창시키는 2단계 냉각 과정을 진행했다. 원자들이 자유롭게 팽창하는 속도를 분석한 결과 운동에너지에 해당하는 등가온도가 9.7피코켈빈으로 측정됐다. 불확실성은 +3.2~-2.7피코켈빈이다.
 달성된 기록은 앞서 지상에 설치된 낙하탑의 미세중력 환경에서 달성한 최저 등가온도인 38피코켈빈보다 약 4배 낮고 국제우주정거장(ISS)의 냉각원자실험실(CAL)에서 기록한 52피코켈빈보다 약 5배 낮다.
 낙하탑 실험에서는 원자구름의 자유팽창을 약 2초 동안 관찰했지만 이번 연구에서는 7초 동안 자유롭게 팽창하는 원자구름이 관측됐다. 실험에서 구현한 극저온 상태와 긴 자유팽창 시간이 원자의 물질파 간섭을 이용해 미세한 중력과 가속도 등을 측정하는 원자간섭계의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있다는 설명이다.
 연구팀은 연구결과가 향후 우주에서 등가원리 같은 기본적인 물리법칙을 더욱 정밀하게 검증하는 데 쓰일 수 있다고 봤다.
 등가원리는 물체의 질량이나 구성 물질과 관계없이 중력에 의해 똑같이 떨어진다는 아인슈타인 일반상대성이론의 핵심 원리다. 극저온 원자를 이용한 원자간섭계로 서로 다른 원자가 떨어지는 속도의 미세한 차이를 정밀하게 측정할 수 있다.
 이 밖에도 연구 성과는 새로운 물리학적 현상을 탐색하거나 극저온에서 나타나는 특이한 양자상태를 연구하는 데 활용될 것으로 기대된다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1126/science.aea5324
 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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