나노기술 및 정책 정보

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아일랜드의 트리니티 칼리지 더블린(Trinity College Dublin)이 이끄는 국제공동 연구팀이 우주 공간보다 10 억 배 낮은 온도를 정확하게 측정할 수 있는 양자 얽힘을 기반으로 한 온도계를 제안함. 이 초저온은 페르미 가스로 알려진 원자구름에서 발생하며 과학자들은 물질이 극단적인 양자 상태에서 어떻게 작용하는지 연구하기 위해 생성함. 이와 같은 초저온 가스는 현재 전 세계의 실험실에서 일상적으로 생성되며 기본 물리학 이론 테스트에서 중력파 감지에 이르기까지 다양한 용도로 사용됨. 하지만 온도는 나노 켈빈 이하에서 놀라울 정도로 낮음. 1 켈빈은 섭씨 –271.15 도로, 이 가스는 그보다 수십억 배 더 차가움. 우주에서 가장 추운 곳이며 바로 여기 지구에서 생성됨. 원자를 포함한 우주의 모든 입자는 '보손'과 '페르미온'이라는 두 가지 유형 중 하나임. 페르미 가스는 물리학자 엔리코 페르미의 이름을 딴 페르미온으로 구성됨. 매우 낮은 온도에서 보손과 페르미온은 완전히 다르게 거동함. bosons는 함께 뭉치는 것을 좋아하지만 fermions는 그 반대임. 그들은 궁극의 사회적 거리를 두는 자임! 이 속성은 실제로 온도를 측정하기 어렵게 함. 전통적으로 초저온 가스의 온도는 밀도에서 추론됨. 낮은 온도에서는 원자가 멀리 퍼질 에너지가 충분하지 않아 가스 밀도가 높아짐. 그러나 페르미온은 초저온에서도 항상 멀리 떨어져 있기 때문에 어느 시점에서 페르미 가스의 밀도는 온도에 대해 아무것도 알려주지 않게 됨. 연구팀은 대신 다른 종류의 원자를 프로브로 사용하는 것을 제안함. 일례로 리튬 원자로 만든 초저온 가스가 있다고 가정할 때 다른 원자, 즉 칼륨을 가져다가 가스에 담그면 주변 원자와의 충돌은 칼륨 프로브의 상태를 변경하고 이를 통해 온도를 추론 할 수 있게 되는 것임. 기술적으로 말해서, 연구팀의 제안은 양자 중첩을 만드는 것을 포함함. 탐침 원자가 동시에 가스와 상호 작용하고 상호 작용하지 않는 이상한 상태임. 연구팀은 이 중첩이 온도에 매우 민감한 방식으로 시간이 지남에 따라 변한다는 것을 보여주었음.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ ("In Situ Thermometry of a Cold Fermi Gas via Dephasing Impurities") 지에 게재됨