액체헬륨과 초유동

 

액체헬륨

 

헬륨은 임계온도가 극히 낮아 좀처럼 액화할 수 없었기 때문에 '최후의 영구기체' 등으로 불리었으나, 1908년 네덜란드의 H.K.오너스에 의해 처음으로 액화되었다.

 

원리는 액체공기의 경우와 거의 같으며, 극저온(極低溫) 아래에서의 물성(物性)의 연구에 많이 이용된다. 모든 물질 중에서 가장 낮은 끓는점(－268℃)을 보이며, 감압하여 증발을 촉진시키면 다시 －272℃(절대온도로 1 K)까지 내려가고, 단열소자라는 특수한 방법을 쓰면 0.001∼0.0004K까지 냉각할 수 있다.

 

그러나 아무리 온도를 내려도 25atm을 넘는 높은 압력을 걸지 않으면 고체가 되지는 않는다. 또, 온도를 내리면 어떤 온도점(포화증기압하에서 2.19K)을 경계로 하여 액체의 성질이 달라진다. 이것을 액체헬륨의 전이점이라 하며, 전이점을 경계로 하여 온도가 높은 쪽을 액체헬륨 Ⅰ, 온도가 낮은 쪽을 액체헬륨 Ⅱ라고 한다.

 

액체헬륨 Ⅰ은 보통의 액체와 거의 같은 성질을 가지지만, 액체헬륨 Ⅱ는 비열이 불연속적으로 변화하기도 하고, 점성을 잃고 보통의 액체는 지나갈 수 없는 가느다란 관(管)을 지나기도 하며, 용기(容器)의 벽을 타고 올라가 저절로 밖으로 흘러나오는 등 기묘한 현상을 볼 수 있다. 이것을 액체헬륨의 초유동(超流動)이라고 한다.

출처 : 두산백과

 

 

 

 

액체헬륨 초유동

 

초유체(Superfluid)

보통 물질을 매우 차갑게 만들면 물질이 가지는 에너지가 점점 줄어들어 운동성이 떨어지게 됩니다.

절대 0도 (-273.15 ˚C)에 가까워 질수록 물질은 거의 움직이지 않게 됩니다.

반면 초유체는 특정 임계온도에 도달하면 매우 큰 유동성을 가지게 됩니다.

 

초유동성....

에너지가 줄어들다가 마치 점성 에너지가 제로가 된 듯이 유동성을 가지는 상태 입니다.

이것은 중력과 표면장력의 힘을 무시하는 방식으로 물질이 가진 에너지가 매우 적음에도 불구하고 그에 반하는 저항 에너지 또한 극히 적어 자체 추진 및 여행을 할 수 있는 능력을 전시하게 되는 위치를 말합니다.

 

이러한 특성은 원래 액체 헬륨에서 발견되었지만 천체 물리학, 고에너지 물리학, 양자 중력 이론에서 또한 이 특성을 찾을 수 있습니다.

이 현상은 보스 - 아인슈타인 응축에 관련이 있지만 동일하지는 않습니다.

 

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저항이 없을때 생기는 첫번째 현상은 초전도체 속을 흐르는 전류가 영원히 움직일 수 있다는 점입니다.

물리학자들은 실험실에서 전류가 몇 년이고 계속 흐르는 것을 확인 했습니다.

임계온도가 있다는 것은 순식간에 상 변이가 일어난다는 뜻입니다.

금속 전자들의 양자적 행동을 관찰했을 때 양자역학으로 부터 몇 가지 단서를 얻은 연구자들은 1950년에 들어 다양한 가설을 내놓기 시작합니다.

1957년에 자인 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 슈리퍼가 금속 및 단순한 합금의 초전도성을 충실하게 설명하는 설득력 있는 이론을 제안 합니다.

전자들이 쌍을 이루어 특이한 행동을 보이기 때문에 초전도성이 발생한다고 설명하는 BCS 이론 입니다.

쿠퍼 쌍이라고 하는 그 전자쌍들은 진동을 통해서 금속 원자 격자와 상호작용 합니다.

금속 내부는 양전하를 띤 핵들이 격자 모양으로 늘어섰고 그곳을 배경으로 하여 전자들이 자유롭게 떠다니는게 되는 것이죠.

금속이 매우 차가워져서 격자가 꼼짝 않고 가만히 있으면 전자(음전하)가 그 옆을 지나가다가 양전하를 띤 격자의 어느 부분을 끌어당겨 마치 무수한 전자쌍이 파동을 일으킵니다.

 

단일 전자는 반드시 파울리 배타원리를 따르게 됩니다.

(비대칭 파동함수를 지닌 입자(페르미온)들은 서로 동일한 양자 상태에 있을 수 없다는 규칙)

그러므로 한 공간에 모인 많은 전자는 각각 서로 다른 에너지를 갖기 마련 이지요.

보통의 원자나 금속에서 그렇습니다.

하지만 전자들이 쌍을 지어 하나의 입자처럼 행동하기 시작하면 다릅니다.

전자쌍의 파동함수가 대칭을 이루기 때문에 이들은 페르미온이 아닌 보존 입니다.

전자쌍들은 모두 동일한 최소 에너지 상태에서 머무를 수 있고 따라서 전자쌍들의 전체에너지는 자유전자들 보다 조금 낮게 됩니다.

바로 이 에너지 차이로 인하여 임계온도를 넘어선 물질이 재빨리 초전도체 속성의 변이를 일으키게 됩니다.

 

격자의 열에너지가 이 에너지의 하락폭 보다 작을 경우 전자쌍들이 격자와 함께 진동하며 꾸준히 흐르게 되고 이것이 초전도성의 핵심 입니다.

격자 파동은 격자를 통해 먼 거리까지 전자들을 이동시킬 수 있기에 저항이 전혀 없습니다.

 

보스 - 아인슈타인 응축

보존은 낮은 온도에서 이상한 형태를 보입니다.

절대 0도 가까이에 접근하면 보존은 모두 동일한 양자 상태로 모이며 그들의 양자적 행동을 우리가 큰 규모로 볼 수 있게 됩니다.

사티엔드라-나스 보스의 발상에 기초하여 1925년에 아인슈타인이 처음 예측한 BEC는 1995년에서야 실험실에서 처음 만들어 졌습니다.

예를들어 BEC 상태의 루비듐 원자는 1700억분의 1K 까지 냉각되고 이들은 하나로 뭉친 거대한 원자덩어리 슈퍼원자가 됩니다.

 

 

출처 : 지식인