극저온에서 원자를 양자 상태로 만들어 고전 물리학의 법칙을 거스르는 독특한 성질을 부여하는 냉장고가 가능할까.

미국 뉴욕의 로체스터대(University of Rochester) 물리학과 교수 앤드류 조던( Andrew Jordan)과 대학원생 세리나트 마니칸단(Sreenath Manikandan)은 NEST Istuto Nanoscienze-CNR과 이탈리아 SNS(Scuola Normale Superiore) 동료 프란체스코 지아조토( Francesco Giazotto)와 함께 피지컬리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)에 발표한 논문에서, 이 같은 냉장고에 대한 아이디어를 생각해 냈다. 이 장치는 원자를 절대 영도(화씨 -459도)가까이 냉각한다.

과학자들은 양자 센서나 초고속 양자 컴퓨터용 회로의 성능을 촉진하고 향상시키기 위해 초전도성(superconductivity) 양자 특성에 기초한 냉장고를 사용할 수 있었다.

초전도성

물질이 얼마나 전기를 잘 전도하는가를 전도도라고 한다. 물질이 전도성이 높으면 쉽게 전류가 흐르도록 한다. 예를 들어 금속은 좋은 전도체인 반면에 나무나 금속 와이어를 감싸고 있는 차폐물은 절연체다. 금속 와이어는 좋은 전도체임에도 불구하고 마찰로 인한 저항에 부딪힌다.

이상적인 조건에서, 물질은 저항없이 전기를 전도할 수 있다; 즉, 에너지를 잃지 않고 무한정 전류를 전달하는 것이 초전도체에서 일어나는 일이다.

마니칸단은 “시스템을 극한의 온도로 냉각시키면 전자는 저항 없이 흐르는 집단 유체처럼 행동하는 양자 상태로 들어간다. 이는 매우 낮은 온도에서 쿠퍼쌍로 부르는 초전도체 전자에 의해 이루어진다”고 말했다.

쿠퍼쌍(copper pair)은 초전도(超電導)에 관한 BCS 이론의 기초가 되는 등(等)운동량으로 반대 방향의 스핀을 하는 한 쌍의 전자다.

모든 금속이 충분히 차가워지면 초전도체가 될 수 있지만, 각각의 금속은 저항이 사라지는 다른 임계온도를 가지고 있다. 조던은 “이 마법의 온도에 도달했을 때, 그것은 점진적인 것이 아니라 갑자기 저항이 0으로 떨어지는 단계적 전환이 일어난다”고 말했다.

냉장고 유사

초전도 양자 냉장고는 초전도성의 원리를 이용해 작동하고 초저온 환경을 만든다. 그러면 차가운 환경은 양자 기술을 향상시키는데 필요한 양자 효과를 발생시키는데 도움이 된다. 양자 냉장고는 연구자들이 물질을 가스, 액체 또는 고체로 바꾸는 것과 마찬가지로 물질을 초전도 상태로 바꿀 수 있는 환경을 만들 것이다.

재래식 냉장고는 내용물을 차갑게 해서가 아니라 열을 제거해서 작동한다. 이것은 냉매라는 액체를 온수저수조와 냉수저수조 사이에서 이동시키고, 그 상태를 액체에서 기체로 변화시킴으로써 이것을 가능하게 한다.

기존 냉장고에서 액체 상태의 냉매는 팽창 밸브를 통과한다. 액체가 팽창하면 기체로 전환하면서 압력과 온도가 떨어진다. 지금 냉매는 냉장고 안쪽에 있는 증발기 코일을 통과해 냉장고 내용물의 열을 흡수한다. 이를 전기로 구동되는 압축기로 재압축, 온도와 압력을 한층 높여 기체에서 뜨거운 액체로 전환시킨다. 외부 환경보다 뜨거운 응축된 뜨거운 액체가 냉장고 외부에 있는 응축기 코일을 통해 흘러나와 열을 방사한다. 그 후 액체가 팽창 밸브에 다시 들어가고 사이클이 반복된다.

초전도체 냉장고는 고온과 저온 사이에서 물질을 움직인다는 점에서 기존의 냉장고와 비슷하다. 그러나 액체 상태에서 기체로 변하는 냉매 대신에 금속 전자는 짝지어진 초전도 상태에서 일반 상태로 바뀐다.

구성

초전도 양자 냉장고에서 연구원들은 극저온 금속을 겹겹이 쌓아 넣는다.

스택의 하단 층은 기존 냉장고 외부의 환경과 비슷한 고온 저장고 역할을 하는 초전도체 니오비움(niobium) 시트다. 중간층은 초전도체 탄탈룸(tantalum)으로, 기존 냉장고의 냉매와 유사하게 작동 물질이다. 윗층은 구리(copper)로, 기존 냉장고 내부의 저온 저장고에 해당한다.

연구진이 니오비움에 전류를 천천히 적용하면 중간 탄탈룸층을 관통하는 자기장을 생성해 초전도 전자가 공기와 정상 상태로 전환, 냉각된다. 차가운 탄탈룸 층은 이제 따뜻해진 구리 층으로부터 열을 흡수한다. 자기장에서 나온 탄탈룸 전자가 짝을 이뤄 다시 초전도 상태로 전환하게 되고 탄탈룸은 니오비움 층보다 뜨거워진다. 과도한 열은 니오비움에 전달된다. 순환은 반복되며, 구리 층은 낮은 온도를 유지한다.

큐비트 저장

초전도 양자 냉장고는 음식을 저장하는 대신, 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트( qubit)와 같은 것들을 금속 위에 올려놓음으로써 저장할 수 있다.

양자 센서를 냉각하기 위해 냉장고를 사용할 수 있는데, 양자 센서를 매우 효율적으로 측정할 수 있고 별과 다른 은하계를 연구하는 데 유용하며 MRI 기계에서 더 효율적인 심층 조직 이미지를 개발하는 데 사용될 수 있다.

조던은 “이것이 어떻게 작동하는지 생각해 보면 정말 놀랍다. 모두 기본적으로 에너지를 받아서 변형된 열로 전환시키는 것”이라고 말했다.

* cooper pairs(쿠퍼쌍)

초전도(超電導)에 관한 BCS 이론의 기초가 되는 등(等)운동량으로 반대 방향의 스핀을 하는 한 쌍의 전자.