중국 연구진, 톈궁 우주정거장 광학 트랩으로 9.7 피코켈빈 달성…우주 최저 온도 기록

왜 우주에서 극저온 실험을 하는가

절대영도에 근접할수록 원자의 운동이 느려지며, 보스-아인슈타인 응집체(BEC)라 불리는 특수한 양자 상태가 형성된다. BEC 환경에서는 원자들이 하나의 거대한 양자 파동처럼 행동하기 때문에, 양자 시뮬레이션과 정밀 측정 연구에 핵심적인 플랫폼으로 활용된다. 온도가 낮을수록 원자의 팽창 속도가 줄어 측정 정밀도가 높아지므로, 연구자들은 꾸준히 더 낮은 온도를 추구해 왔다.

지상에서는 중력이 트랩 안의 원자를 아래로 처지게 만들어 냉각 한계를 유발한다. 자기 부상 방식은 중력 문제를 일부 해소하지만, 원자의 내부 스핀 상태를 단일값으로 고정시키는 부작용이 있다. 레이저 빔을 이용하는 광학 트랩은 더 유연한 제어가 가능하지만, 미세중력 환경에서 BEC를 직접 생성한 사례는 이번 연구 이전에는 없었다.

기존 기록과의 비교

이전 우주 최저 온도 기록은 두 가지였다. 낙하탑 실험에서는 자유낙하를 이용해 38 피코켈빈에 도달했으나, 자유 팽창 관측 시간이 2초에 불과했다. 국제우주정거장(ISS)의 냉각원자연구소(Cold Atom Laboratory)는 자기 트랩과 물질파 렌즈 기법으로 52 피코켈빈을 기록했으며, 관측 가능 시간은 1초였다. 이번 연구의 9.7 피코켈빈은 두 기록 모두를 크게 하회하며, 자유 팽창 관측 시간도 7초로 대폭 늘어났다. 연구팀은 측정 불확도를 7.0~12.9 피코켈빈 범위로 제시했다.

실험 방법: 레이저 냉각과 단계적 에너지 제거

연구팀은 먼저 레이저 냉각과 증발 냉각 기법을 결합해 BEC를 광학 쌍극자 트랩(ODT) 내에서 생성했다. 증발 냉각은 에너지가 높은 원자를 선별적으로 제거함으로써 전체 온도를 낮추는 방식이다. 여기에 자기장 기울기를 추가로 적용해 초기 냉각 효율을 높이고, 자기 교란에 대한 민감도를 낮췄다. 이후 원자들을 더 넓은 광학 트랩으로 옮기고 구속력을 단계적으로 약화시켜 팽창 에너지를 줄였다. 최종적으로 3차원 팽창을 측정해 등가 온도를 산출했다. 이 등가 온도는 열역학적 온도가 적용되지 않는 조건에서 구름의 팽창 에너지와 속도로 환산한 값이다.

향후 응용 가능성과 한계

이번 성과는 여러 후속 연구 방향을 열어 준다. 연구팀은 조절 가능한 부피의 트랩을 통해 실험에 활용 가능한 원자 수를 늘릴 수 있다고 본다. 특수하게 성형된 레이저 필드를 이용한 이색적 양자 위상 연구, 예컨대 1차원 보소닉 시스템의 도모나가-루팅거 액체 질서 붕괴, 무질서 퍼텐셜 내 보스 유리 및 프랙탈 모트 위상 등이 탐구 대상으로 꼽힌다. 또한 우주 기반 원자 마흐-젠더 간섭계를 구축해 등가 원리 등 기초 물리 법칙의 정밀 검증을 시도할 수 있다는 전망도 제시됐다. 다만 현재 실험은 약 2만 개의 원자로 제한돼 있고, 측정 불확도 범위가 여전히 넓다는 점은 추가 개선이 필요한 과제로 남아 있다.