Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
돌연한 우주팽창의 가속
몇 년전에 우리가 상상했던 것과는 다른 우주에 관한 새로운 사실들이 최근 밝혀짐에 따라 우주과학자들의 고민은 한층 더 심화되고 있다. 그 이유는 우주의 팽창이 천천히 줄어들기 보다 오히려 가속되고 있기 때문이다. 이에 관해서 어느 신비스러운 반발에너지, 즉 "암흑에너지"가 우주의 팽창을 가속화하는 것으로 설명되어지기도 한다. 그러면 그 암흑에너지란 무엇인가? 그러한 암흑에너지에 관한 이론이 지난 3월의 논문(Phys. Rev. Lett. 84, 2076 (2000))에서 발표되었는데, 그에 의하면 암흑에너지의 맺음변수(parameters)들이 기본 물리상수와 초끈이론에 관련된다.
"필요요소(quintessence) 모형"으로서 알려지기도 한 암흑에너지 이론은 우선 특수형태의 반발력場이, 예를 들면 전자기장, 전 우주공간에 퍼져있다는 것이다. 캘리포니아 대학교(Davis)의 Andreas Albrecht에 의하면 "천체의 관측기록에 의하면 그 반발력은 그 동안 우주역사의 대부분 약하게 존재해 오다가 최근에야 우주팽창이 활발히 진행하도록 영향력을 발휘하기 시작했다"는 것이다. 그러나 이와 같은 돌연한 "우주팽창론"은 가끔 이론물리학자들의 이론전개에 많은 어려움을 불러 일으키곤 했다.
Albrecht와 그의 대학원생 Constantinos Skordis는 이러한 "암흑에너지" 이론의 전개를 위해 h(Planck 상수), c(빛의 속도), G(만유인력 상수)로 구성된 에너지함수 또는 퍼텐셜을 갖고 접근하였다. 이러한 "암흑에너지" 이론에서 그들은 빅뱅(big bang)이 한참 지난 후에 필요요소場이 우주의 물질과 에너지에 중대한 영향을 미치게 되었고, 그래서 우주팽창이 가속되었음을 보였다. 그들의 발표에서 필요요소場은 지수형태로 주어지고, 초끈이론의 최근 결과에도 잘 일치함이 보였졌다. 이로서 그 필요요소場의 우주팽창의 관련성이 처음으로 입증된 것이다.
한편 "필요요소(quintessence) 모형"은 현재 학계에서 널리 인정받고 있는 우주팽창의 가속화에 관한 1980년대의 초기우주의 "우주팽창(inflation) 이론"에 기초를 두고 있다. 그 때의 우주팽창이론을 내세운 학자 중 하나인 Albrecht는 그 우주팽창 이론이 현재의 우주팽창 가속화를 설명하게된 동기임을 밝혔다. 동시에 그는 "여러분은 우리를 매우 상상력없는 과학자로 생각할지도 모른다"라고 언급하면서 그의 필요요소 모형에 관한 최근 배경에 대해 결론을 맺었다.
"악마의 계단" 結晶을 만들다
결정구조를 설명하는데 있어서 고체결정학자들은 일반인들과 다른 방법을 생각해 내곤 한다. 그들에게 열두개의 부드러운 면을 갖고있는 완벽한 수정결정은 오직 두개의 면을 가진 결정에 불과하다. 이는 나머지 10개의 면이 대칭성으로 인해 독립된 것으로 고려되지 않기 때문이다. 그 동안 실험실에서 만들어진 가장 복잡한 결정은 기껏해야 여섯 종류의 다른 면을 갖는 것으로 알려져 왔다. 그러나 지난 3월의 논문(Phys. Rev. Lett. 84, 2409 (2000))에 의하면 60 종류의 면을 갖고 있는 결정에 대한 발표가 있었다. 이는 지난 1950년대 발표되었던 "이상적인 조건하에서 무한대의 결정면이 존재할 수 있다"는 이론적인 예측을 처음으로 입증하는것이다. 그러므로 이
논문에 의해 결정면의 형성에 관한 이론(이 이론은 최근에야 응집물리학 분야에서 해결되었음)이 처음 입증된 것이다.
응집물리학자들은 가끔 왜 결정은 결정면을 형성하는지에 대해 의문을 품곤 한다. 결정은 마치 물방울과 같은 단순한 방울형태의 결정을 형성할 수도 있기 때문이다. 그러나 결정은 항상 가장 단순한 원자면에 평행한 방향으로 결정면을 형성한다. 예를 들면, 입방대칭성을 갖는 결정은 원자단위 크기의 계단을 만들며 결정축에 45도에서 결정면(수평으로 한 칸을 가는 동안에 수직으로 한 칸의 계단을 가는 것으로 비교할 수 있음)을 형성한다 - 이 경우를 우리는 (110)의 "밀러지표(Miller indeces)"의 결정면이라 부른다. 한편 매우 불안정한 (190)의 결정면이 주축에 관해 매우 낮은 각도로 만들어지기도 하는데, 이는 수평으 로 아홉 칸을 가는 동안에 수직으로 한 칸의 계단을 가는 것과 같다.
1950년대 러시아 물리학자 Lev Landau는 절대온도 0도에서 어떠한 밀러지표(매우 높은 밀러지표 또는 매우 낮은 경사일지라도)에 대한 결정면도 결정의 표면에서 형성될 수 있음을 이론적으로 계산하였다. 그와 같은 모든 각도에 대한 계단, 즉 모든 밀러지표의 결정을 "악마의 계단"이라고 명명하게 되었고, 1980년대에 들어서는 절대온도 0도가 아닌 경우에도 "악마의 계단" 결정의 형성이 가능하리라는 이론이 나오기에 이르렀다. 한편 대부분의 결정의 경우에는 몇 개의 결정면만이 약간의 낮은 온도에서 안정된 상태로 형성될 것으로 예측되어 왔다. 그러나 최근 프랑스 Paris-Sud University(Orsay)의 Pawel Pieranski 연구진은 상온에서도 매우 안
정된 결정면을 형성하는 비눗물의 결정형태를 만들기에 이르렀다.
그들은 적절한 온도, 습기, 농도의 조건하에서 비누의 계면활성적인 분자가 입방대칭성의 복잡하고 상호침투 네트워크를 구성한다는 것과 이러한 액정의 형태에 매우 얇은 결정면일지라도 안정성
을 유지하는 역학적 성질이 포함되어 있다는 사실을 이용하였다. 이를 위해서 그들은 습기가 잘 조절된 방에서 유리의 표면 위에 액체를 1 mm 크기로 떨어뜨렸다. 그리고 습도를 증가하면서 현미경을 통해 액체가 결정으로 형성되는 것을 관측하였고, 이를 통해 결정형성의 조건
을 결정하였다. 이런 방식에 의해 그들은 11개의 밀러지표를 포함하는 60개의 다른 결정면을 관측하게 되었다(한편 결정면의 각도를 좀 더 정밀히 관측하기 위해 그들은 레이저 간섭계를 사용하기도 하였다).
가장 작은 전기소자(양자계))
대부분의 양자계에 있어서, 바닥상태 전자는 마치 수소원자의 1s 구면궤도상태에 있는 전자와 같이 아무런 방향성도 가지지 않는다. 그러나 자기장을 걸어주게 되면 상황은 달라진다. 도선고리에 감금된 전자는 자기장하에서 아무리 낮은 에너지 상태에서라도 한 방향으로만 빠른 속도로 움직이게 된다. 이러한 사실은 지난 3월의 논문(Phys. Rev. Lett. 84, 2223 (2000))을 통해 발표되었는데, 저자들은 양자계를 위한 최소의 전류를 측정하기 위해 직경이 50 nm인 매우 작은 고리모양의 도선을 사용하였다. 이와 같이 작은 도선은 한개 또는 두개 정도의 전자만을 포함하기 때문에 양자계로서 역할을 하게 되고, 이를 통해 과학자들은 낱개의 전자를 조절할 정도로 정교한 실험을 할 수 있게 된다. 그러므로 이러한 작은 도선고리가 미래의 디지털데이터 저장소자로서 응용될 수 있을 것으로 예상된다.
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양자점이란 미시적이고 잘 재단된 반도체 표면의 공간으로서 이를 통해 물리학자들은 전자의 수를 정확하게 조절하고, 양자효과의 범위를 관측하게 된다. 그러므로 몇몇 과학자들은 이를 통해 미래의 양자컴퓨터 저장기술을 달성할 수 있으리라 생각하고 있다. 양자점을 만드는 데는 몇 가지의 방법이 있는데, 그 중의 한 가지로서 GaAs 표면 위에 InAs을 두 원자층 정도의 두께로 뿌리는 방법을 들 수 있다. 마치 왁스칠이 잘 된 자동차 위에 맺혀진 물방울처럼 표면장력을 잘 조절함으로써 InAs의 양자점들을 구슬형태로 약 1011 개 정도 만들 수 있다. 독일 뮌헨에 있는 Ludwig Maximilians 대학교의 Axel Lorke 연구진과 미국 캘리포니아 대학교(Santa Barbara)의 공동연구진은 1 nm 두께의 GaAs 위에 InAs 점들을 놓고, 일분 정도 기다려 표면장력 등에 의해 그 점들을 재배치함으로써 작은 고리형태의 도선을 제작하였다.
Lorke은 고리형태의 작은 도선을 만드는 것은 물리적으로 양자계를 연구할 수 있을 뿐만 아니라 기술적 응용을 위해서 매우 중요하고, 현재의 기술로 이에 대한 회의론자들도 이해할 수 있을 정도로 신뢰할 수 있는 양자점들을 잘 구성할 수 있음을 설명하였다. Lorke의 연구진은 작은 도선고리에서 두 가지의 분광학적 실험을 행함으로써 전자의 양자적인 성질을 입증하게 되었다.
첫 번째의 실험에서 그들은 마치 한 쌍의 금속판 사이에 도선고리들을 놓고 정확히 한 개의 전자가 금속판으로부터 도선고리로 옮겨질 때까지 전압을 증가하였다. 그 때의 가해진 전압으로부터 도선고리에 가해지는 자기장을 증가함으로써 증가되는 전자의 바닥에너지가 결정되었다. 그러나 자기장이 도선고리당 1 양자자속(약 8 T)에 이르렀을 때 바닥에너지에서 돌연한 변화(각운동량이 l＝0 상태에서 l＝－1상태로)가 일어남으로써 바닥상태에 새로운 변화가 일어났다. 즉 시계방향과 반시계방향으로 같은 양의 전자가 도는 것이 아니라 전자는 한 특정방향에서 1 양자각운동량을 갖게 되었다. 한편 두 번째 실험에서 Lorke 연구진은 도선고리들에 적합한 에너지의 적외선 광자를 흡수시킴으로써 자기장에 의한 양자상태 사이의 전이를 예측하였고, 이를 통해 작은 도선고리에 대한 양자계의 역할을 증명하였다.
미국 Ohio University(Athens)의 Sergio Ulloa에 의하면 작은 도선고리에서는 커다란 일반 도선고리에서 흔히 일어나는 전자산란과 같은 복잡한 현상이 일어나지 않을 뿐만 아니라 한 개 또는 두 개의 전자가 결맞는 양자상태를 유지한다. 이러한 특성으로 작은 도선고리는 이론물리학자들이 원하는 좋은 시험계일 뿐만 아니라 낱개의 전자의 회전방향에 따라 "1" 또는 "0"의 상태가 결정되어 앞으로 디지털 데이터를 저장하는 소자로도 응용될 전망이다.
[편집위원 유종훈