UC Berkeley·Caltech 연구진, 초유체 헬륨-4 자이로미터로 시공간 끌림 효과 지상 측정 제안

프레임드래깅란 무엇인가

아인슈타인의 일반상대성이론은 회전하는 물체가 주변 시공간을 자전 방향으로 미세하게 끌어당긴다고 예측한다. 지구의 경우 이 효과는 근방 자이로스코프의 세차운동, 즉 먼 항성을 기준으로 회전축이 서서히 어긋나는 현상으로 나타나며, GP-B 위성 실험 등 우주 기반 관측을 통해 간접 확인된 바 있다. 그러나 그 크기가 극히 작아 지상 기기로는 열잡음에 신호가 묻혀 측정이 사실상 불가능했다.

초유체 헬륨-4 기반 자이로미터 설계

연구팀은 도넛 형태의 관에 헬륨-4를 채우고 2.17 K(약 −271 °C) 이하로 냉각해 마찰 없이 흐르는 초유체 상태로 만드는 방식을 제안했다. 이 루프에 나노기공을 갖춘 특수 장벽, 즉 조셉슨 접합을 배치하면 장치가 회전할 때 접합 양단에 양자역학적 위상 차이가 생기며, 이를 접합에 연결된 기계적 다이어프램의 움직임으로 읽어낸다. 유사한 센서는 UC Berkeley Packard 연구실이 이미 지구 자전 측정에 활용했으나, 프레임드래깅 수준의 미세 회전 신호를 포착하기에는 민감도가 부족했다.

10 mK 냉각이 핵심

연구팀이 수행한 열잡음 특성 분석에 따르면, 장치를 초유체 전이 온도(2.17 K)보다 훨씬 낮은 10 mK(밀리켈빈) 수준까지 냉각하면 무작위 위상 교란이 충분히 억제된다. 이 조건에서 제안된 자이로미터는 현재까지 이뤄진 프레임드래깅 측정 중 가장 민감한 결과에 필적하거나 이를 능가하는 성능을 낼 수 있으며, 측정 소요 시간도 기존 대비 크게 단축될 것으로 분석됐다. 또한 연구팀은 루프 내 경로에 따른 극소한 시간 흐름 차이—중력이 시간에 미치는 효과—도 이 장치로 포착할 수 있다고 계산했으며, 이는 플랑크 시간보다 몇 자릿수 큰 시간 척도에서의 양자중력 신호 탐색으로 이어질 수 있다.

우주 실험 대비 지상 실험의 이점

지금까지 프레임드래깅 측정은 위성을 통해서만 충분한 민감도를 확보할 수 있었다. 이번 제안은 우주 발사 없이 지상 실험실에서 동등한 수준의 측정이 가능함을 보인다는 점에서 의미가 있다. 뉴턴 중력이 아닌 순수한 일반상대론적 효과를 거시적 양자 시스템(초유체)에서 직접 관측하는 첫 사례가 될 수 있다는 점도 주목된다.

남은 기술 과제

이론적 타당성 확인에 이어 실험 구현의 관건은 밀리켈빈 온도에서 작동하는 헬륨-4용 조셉슨 접합 개발이다. 기존 관련 실험에서는 초유체 전이 온도 근방에서만 동작하는 접합이 쓰였기 때문에, 훨씬 낮은 온도에서 안정적으로 작동하는 소자 확보가 선결 과제다. 현재 Caltech Keith Schwab 연구실에서 이 방향의 실험 개발이 진행 중이며, 이론팀은 초유체 자이로미터 실험에서 드러날 수 있는 아인슈타인 이후의 중력 효과 탐색도 병행할 계획이다.