중국 우주정거장서 최저 온도 측정, 지상 기록보다 약 4배 낮춘 비결은?

중국 과학자들이 우주정거장 톈궁에서 원자 기체를 9.7피코켈빈(pK)까지 냉각했다. 인류가 인공적으로 구현한 최저 온도 기록이다. 베이징대와 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소 등의 공동연구팀은 연구 결과를 5일(현지시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

다만 9.7pK는 원자들이 열평형에 가까운 상태에서 잰 보통의 온도가 아니다. 연구팀은 원자구름이 퍼져나가는 속도를 측정하고, 그 운동에너지를 온도로 환산한 ‘등가온도’를 구했다. 1pK는 1조분의 1켈빈이며, 절대영도인 0K는 섭씨 영하 273.15도다. 측정값의 불확실성은 +3.2~-2.7pK였다.

실험은 톈궁 멍톈 모듈의 극저온 원자물리학 실험장치에서 루비듐-87 원자로 진행했다. 레이저 두 빔이 교차하는 장치에서 에너지가 높은 원자를 골라내는 증발냉각을 거쳐 약 2만3000개 원자를 3.1나노켈빈까지 식혔다. 이때 전체 원자의 약 89%가 같은 양자상태를 공유하는 보스-아인슈타인 응축을 이뤘다.

이후 원자를 더 넓은 광학 포획장치로 옮기고, 약 1.175초 동안 포획장치의 세기를 낮춰 추가 냉각했다.

핵심은 지구 중력의 방해를 줄이는 미세중력과 레이저로 원자를 가두는 광학 쌍극자 포획장치의 조합이다. 지상에서는 극저온을 만들려고 원자를 붙잡는 힘을 약하게 하면 중력 때문에 원자가 빠져나가기 쉽다. 이번 등가온도는 낙하탑의 종전 기록인 38pK보다 약 4배, 국제우주정거장 냉각원자실험실의 52pK보다 약 5배 낮았다.

원자구름의 자유팽창도 7초간 관측해 낙하탑 실험의 약 2초보다 길었다.

극저온 원자의 물질파 간섭을 이용하는 원자간섭계는 미세한 중력이나 가속도를 측정하는 장치다. 더 차가운 원자와 긴 관측 시간은 측정 정밀도를 높이는 데 도움이 될 수 있어, 연구팀은 이 성과가 우주에서 등가원리 같은 기본 물리법칙을 더 정밀하게 검증하는 데 활용될 가능성을 제시했다.