올해의 노벨물리학상은 ‘보즈-아인슈타인 응집상태’란 물질의 새로운 상태를 만들어 나노테크놀로지의 발전에 새 돌파구를 열었던 3명의 과학자에게 돌아갔다. 보즈-아인슈타인 응집상태. 말만 들어도 골치 아프지만, 요즘 물리학자들에게는 매우 중요한 화두이다.

물질이 이 상태가 되는 원리는 간단하다. 어떤 물질의 온도를 절대온도 0도(영하 273℃)에 가까운 초저온으로 낮추거나 고밀도로 압력을 가하면 보즈-아인슈타인 응집상태(이하 보즈응집상태)가 된다. 이 상태는 고체·액체·기체·플라즈마도 아니어서 ‘제5의 물질 상태’로 불린다.

물질은 이 상태가 되면 상식밖의 이상한 행동을 한다. 보통 방에 가둬놓은 기체 상태의 원자들은 제멋대로 움직인다. 하지만 온도를 절대온도 0도에 가깝게 냉각시키면 수천 수만개의 원자들이 마치 제식훈련하는 군인처럼 똑같이 움직인다. 또한 이들 원자는 급격히 응축돼 물질의 밀도가 거의 무한대로 올라간다.

그래서 보즈응집상태의 물질을 ‘인공 블랙홀’이라고 부르기도 한다. 미국의 한 과학자는 “보즈 응집상태의 원자 2백조t을 뭉쳐놓으면 블랙홀이 된다”고 주장하기도 했다. 서울대 물리학과 제원호 교수는 “태양 몇 배만한 질량이 뭉쳐 지름 수십㎞의 천체가 된 중성자별이나, 물질의 밀도가 무한대인 블랙홀도 일종의 보즈응집상태일 것이라고 천체물리학자들은 보고 있다”고 말했다. 따라서 이 상태에 대한 연구는 우주의 수수께끼를 푸는 새로운 단서도 제공할 전망이다.

또한 극저온에서 액체헬륨을 컵에 놓고 휘저으면 마찰 없이 영원히 도는 초유동현상이나, 전기저항이 0이 되는 초전도현상도 보즈응집상태의 한 단면일 것으로 과학자들은 보고 있다.

더욱 중요한 점은 보즈응집상태를 만들고 제어하는 기술이 장차 나노테크놀로지와 정보통신 혁명의 요람이 될 것이란 점이다. 이 제어 기술을 이용하면 상상할 수 없이 작은 반도체칩이나 매우 정확한 원자시계, 정밀한 원자간섭계를 만들 수 있다.

보즈 응집상태는 레이저 냉각기술을 동원해 기체를 우주에서 가장 낮은 절대온도 수백만 분의 1도까지 떨어뜨려 만든다. 평상시에 기체 원자는 초속 300m로 움직이지만, 이렇게 되면 에너지가 바닥상태로 떨어져 속도가 0이 되고 양자의 상태가 모두 같아진다. 이를 양자역학에서는 ‘결맞음성’라고 말한다.

결맞음성을 지닌 원자들은 아주 균질해 제어하기가 매우 쉽다. 이번에 노벨상을 탄 MIT의 볼프강 케털리 박사는 97년 균질한 원자들을 탄알처럼 쏠 수 있는 초보적인 ‘원자레이저’를 개발했다. 원자레이저가 완성되면 원자들을 기판 위에 쏘아 매우 작은 반도체칩이나 나노수준의 초소형 기계를 만들 수 있다.

한편 올초 하버드대 연구팀은 고밀도의 보즈응집상태 물질을 통과시켜 초속 30만㎞의 빛을 자전거 정도의 속도로 바꾸는 데 성공했다. 이는 빛이 고밀도의 물질을 통과할 때 굴절률과 속도가 달라지는 것을 이용한 것이다. 보즈응집상태 물질로 빛을 제어하면 새로운 광컴퓨터, 고속통신, 디스플레이 등을 가능케할 수 있다.

이달 초 막스플랑크연구소 연구팀은 사람 몸집 만큼 컸던 보즈응집상태 구현 장치를 반도체칩 크기로 줄이는데 성공해 기술 발전이 급속도로 빨라지고 있다. 국내에서는 서울대 제원호 교수가 90년대 후반부터 본격적인 연구를 시작해 보즈응집상태를 만들기 일보 직전까지 와 있다.

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