NASA 우주 양자 실험실, ‘제5의 물질 상태’ 깨웠다…양자 혁명 본격화

우주 공간에 배치된 미국 항공우주국(NASA)의 최첨단 양자 연구소가 또 한 번의 진화를 거치며 미지의 물리학 영역을 향한 깊숙한 탐사에 나섰다.

지구에서는 구현 불가능한 극한의 환경을 활용해 차세대 양자 기술과 물질의 근본적 본질을 규명하는 연구가 본격화됐다.

29일(현지시각) 글로벌 과학 기술 전문매체 사이테크데일리(SciTechDaily)에 따르면 NASA는 최근 국제우주정거장(ISS)에 탑승한 우주비행사들이 새롭게 업그레이드된 ‘저온 원자 실험실(Cold Atom Lab)’을 성공적으로 가동했다고 밝혔다. 이 실험실은 원자를 절대영도에 가깝게 냉각시켜 지구 역학의 한계를 뛰어넘는 양자 실험을 수행하는 독특한 궤도 연구 시설이다.


미니 냉장고 크기의 이 실험실은 지구에서 원격으로 제어되며, 내부 원자를 영하 273도 이하로 냉각시킨다. 우주에서 가장 차가운 이 공간에서 원자들은 고체, 액체, 기체, 플라즈마에 이어 이른바 ‘제5의 물질 상태’로 불리는 ‘보스-아인슈타인 응축물(BEC)’을 형성한다.
BEC 상태에 도달한 원자 구름은 개별 입자보다 훨씬 거대해지면서도 양자역학의 기이한 법칙을 그대로 따른다. 특히 지구 저궤도의 미세 중력 환경은 이 양자 물질이 중력의 방해를 받지 않고 더 크고 오랫동안 형태를 유지할 수 있도록 돕는다. 지구상의 실험실보다 훨씬 낮은 온도에서 장시간 관찰이 가능한 이유다.

사이테크데일리에 따르면 제이슨 윌리엄스 NASA 제트추진연구소(JPL) 프로젝트 과학자는 “극저온에서는 물질이 우리가 기존에 경험했던 것과 완전히 다르게 행동하며 파동적 성질이 지배하게 된다”라며 “이를 통해 시간, 중력, 운동을 극도로 정밀하게 측정할 수 있으며 우주의 본질을 탐구할 강력한 도구를 갖추게 됐다”라고 설명했다.


실험은 루비듐이나 칼륨 금속을 최대 400°C로 가열해 진공 챔버 내부에 기체를 발생시키는 것으로 시작된다. 이후 정밀하게 조정된 레이저를 조사해 원자의 속도를 늦추고 에너지를 앗아가는 방식으로 온도를 급격히 낮춘다. 레이저 냉각이 끝나면 강력한 자기 트랩으로 원자를 포획해 거의 정지된 상태로 고정한다.

NASA는 레이저와 거울, 대형 장비들로 방 하나를 가득 채울 만한 기존 원자 물리학 실험실을 우주정거장의 단일 랙 크기로 압축하는 데 성공했다. 현재 이 시설은 기초 물리학을 연구하는 5개의 국제 연구팀을 지원하는 동시에 미래 우주 탐사에 필수적인 양자 기술의 시험장 역할을 하고 있다.
에단 엘리엇 JPL 부책임 과학자는 “지난 세기가 레이저, 스마트폰, MRI 등을 탄생시킨 양자 1.0의 시대였다면, 이제는 거대한 양자 상태를 직접 조작하는 ‘양자 2.0’의 시대”라며 “궤도상에서 이 과학을 발전시킴으로써 인류 기술의 또 다른 도약을 기대하고 있다”라고 말했다.


이번 성능 개선은 2018년 실험실이 ISS에 설치된 이후 네 번째로 이루어진 대규모 업그레이드다. 핵심은 과학자들이 양자 가스 구름의 모양을 자유자재로 바꿀 수 있도록 재설계된 자기 트랩과 가스 구름 생성 효율을 극대화한 새로운 금속 스트립의 도입이다.

카말 우드리리 JPL 프로젝트 관리자는 “이번 업그레이드는 양자 세계의 경계를 더욱 확장하는 계기”라며 “NASA가 우주 기반 양자 기술 분야에서 리더십을 유지하는 것은 물론, 심우주 탐사를 위한 물질파 간섭계, 차세대 위치 측정 및 항법 시스템, 초정밀 중력 감지 장비 등을 발전시키는 초석이 될 것”이라고 강조했다.

이번 프로젝트는 캘리포니아 공과대학(Caltech)이 관리하고 NASA 제트추진연구소(JPL)가 설계·운영을 담당하며, NASA 과학임무국 내 생물 및 물리 과학 부서의 전폭적인 지원을 받고 있다.


이인수 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com