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이화학연구소(RIKEN) 니시나(仁科)가속기과학연구센터 등의 국제 공동 연구그룹이 ‘양자 기체’라 불리는 극저온(-273.15℃ 에 해당)으로 냉각된 기체에 있어 새로운 물리적 현상인 ‘혼합 버블’이 발생할 수 있음을 이론적으로 예측함.

지금까지 두 종류의 양자 기체의 혼합계는 알코올과 물처럼 균등하게 혼합되는 ‘혼화성’과, 물과 기름처럼 완전히 분리되는 ‘비혼화성’이 존재한다고 여겨졌음.

연구진은 ‘양자 요동(quantum fluctuation)’의 효과를 이론적으로 취한 결과, 양자 기체가 부분적으로 혼합되는 새로운 양자상인 ‘부분 혼화성’을 발견하고 이를‘혼합 버블’이라고 명명함. ‘혼합 버블’ 중에서는 척력으로 서로 반발하는 2종류의 입자가 속박된 상태에 있음. ‘혼합 버블’ 중에서는 한 기체가 다른 기체와 혼합되어 있으며, 전체가 팽창될 때 ‘혼합 버블’은 자유 기체처럼 완전히 팽창하지 않고 버블로 남아 있음. 이러한 의미에서 ‘혼합 버블’은 인력이 작용하는 혼합 기체에 나타나는 양자적 액적(液滴)과 어느 정도 유사하다고 할 수 있음. 주목해야 할 점은 척력으로 서로 반발하는 2종류의 입자가 ‘혼합 버블’ 속에서 속박된 상태라는 것임.

본 연구 성과는 지금까지의 상식을 뒤집는 발견이며, 앞으로의 실험을 통해 ‘혼합 버블’이 실제로 발견될 경우 양자 역학 효과가 강하게 작용하는 물질에 있어 혼합 양식을 이해할 수 있게 될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Physical Review Letters(Mixed bubbles in Bose-Bose mixtures)에 게재됨.