초유체 문서 원본 보기

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'''초유체'''(超流體, {{llang|en|superfluid}})는 [[물리학]]에서 [[점성]]이 전혀 없는 [[유체]]를 말한다. 따라서 초유체는 마찰 없이 영원히 회전할 수 있다.

초유체 현상은 양자역학적인 현상으로 [[보스-아인슈타인 응축]] 모형으로 설명된다. 즉, 다수의 보손이 동일한 양자상태를 갖게 된다. 이와 같이 헬륨 입자가 모두 [[바닥 상태]]로 응축될 수 있다. 즉 초유체 상태는 [[레이저]], [[초전도 현상]]와 같이 거시적인 양자역학적 상태이다.

== 성질 ==
=== 크리프 ===
[[파일:Helium-II-creep.svg|섬네일|250px|[[헬륨-4]]와 같은 초유체는 표면을 따라서 흘러나가는 크리프 현상을 보인다.]]
초유체는 [[점성]]이 0인 [[유체]]이다. 이에 따라, 초유체는 매우 특이한 [[모세관 현상]]을 보인다. 모세관 현상은 액체와 용기 표면 사이의 인력이 액체에 작용하는 중력 및 액체 내부의 점성보다 더 강할 때 일어나는 현상이다. 일반적인 유체의 경우는 점성으로 인해 이는 매우 가는 관에서만 일어나지만, 초유체의 경우 점성이 없으므로 표준적인 중력에서는 거의 모든 표면을 타고 흘러나갈 수 있다. 예를 들어, 초유체를 밀봉하지 않고, 열린 용기에 보관할 경우, 초유체는 열린 구멍을 따라 바깥으로 새어나간다. 이러한 현상을 '''크리프'''({{llang|en|creep}})라고 한다.

=== 양자 소용돌이 ===
{{본문|양자 소용돌이}}
초유체 속에서는 점성이 없으므로, 유체 속에서 발생하는 소용돌이는 그 에너지가 분산되지 않아 안정하게 존재할 수 있다. 이 경우, 소용돌이의 회전 속도는 [[각운동량]]의 양자화에 의해 양자화된다.
:<math>\oint\mathbf v\cdot d\mathbf l\in\frac{2\pi\hbar}m\mathbb Z</math>
여기서 <math>m</math>은 초유체를 구성하는 입자([[헬륨-4]] 원자 등)의 질량이다.

== 보손 초유체의 예 ==
=== 헬륨-4 ===
[[헬륨-4]]를 관찰하면 특이한 형태의 [[상평형 그림]]을 얻게 된다. 일단 극저온·저압일 때에는 액체(초유체)의 [[상 (물리)|상]]을 갖고, 저온 고압일 때에 비로소 고체가 된다. 이는 [[절대 영도]]에서 고체로 존재하는 다른 원소들과 비교할 때에 특이한 점이다. 극저온저압일 때 나타나는 초유체 상과 저압일 때에 나타나는 일반 액체 상사이의 [[상전이]]는 '''람다(λ) 상전이'''라고 불리는데, 이는 초유체에서 일반 액체로 상전이할 때에 [[비열용량]]이 그리스 문자 λ와 같은 형태로 발산하기 때문이다. 이때 이 임계 온도(람다점 λ)이하로 내려가면 초유체 상태로 전이된다. 헬륨3의 [[임계 온도]]는 약 1.02 [[밀리|m]][[켈빈|K]]이고, 헬륨4의 임계온도는 2.2[[켈빈|K]]이다.

=== 초저온 보손 기체 ===
헬륨-4는 매우 낮은 온도에서도 무시할 수 없는 상호작용을 보여, 기체가 아닌 액체 상태로 존재한다. 그러나 보손 계의 경우 상호작용이 없는 이상 [[보스 기체]]의 경우에도 [[보스-아인슈타인 응축]]으로의 [[상전이]]가 존재하며, 보스-아인슈타인 응축은 초유체의 성질을 보인다.

== 페르미온 초유체의 예 ==
[[페르미온]] 계의 경우, 매우 낮은 온도에서 상호작용이 없다면 초유체의 성질을 갖지 않는다. 그러나 만약 저온에서 강한 상호작용이 존재한다면, 두 페르미온이 짝지어 합성 보손을 이루어, 이것이 [[보스-아인슈타인 응축]]을 겪을 수 있다.

=== 헬륨-3 ===
[[보손]]인 [[헬륨-4]] 원자와는 달리 자연상태에서 희귀한 [[헬륨-3]] 원자는 [[페르미온]]이다. 따라서 헬륨-3 입자는 [[보스-아인슈타인 통계]]를 적용할 수 없고, [[페르미-디랙 통계]]를 따르며, 보스-아인슈타인 응축 모형을 적용할 수 없다. 그럼에도 불구하고 헬륨-3의 경우에도 초유체 현상은 관찰된다. 그러나 이는 보스-아인슈타인 응축 모형을 반증하는 예는 아니다. 헬륨-3의 경우에 입자들은 개개의 페르미온으로 행동하지 않고, 두 입자가 짝을 이루어 [[보손화]]된다. 즉, 두 개의 페르미온이 하나의 보손처럼 행동하여 [[보스-아인슈타인 응축]] 현상을 나타내게 된다.

=== 초전도체 ===
[[초전도]] 현상은 전자기 U(1) [[게이지 대칭]]이 [[힉스 메커니즘]]을 통해 깨지는 경우에 발생한다. 이는 [[BCS 이론]]에서는 보통 상호작용하는 전자들이 [[쿠퍼 쌍]]이라는 합성 보손을 만들어, 그 [[진공 기댓값]]이 게이지 대칭을 깨게 된다. 이 경우, 쿠퍼 쌍의 유체는 초유체를 이루게 된다. 쿠퍼 쌍은 또한 −2의 전하를 가지므로, 이는 전하를 분산 ([[전기 저항]]) 없이 운송할 수 있다. 즉, 초전도 현상은 대전된 초유체로부터 발생한다.

=== 중성자별 ===
[[중성자별]]의 내부는 초유체의 [[중성자]]로 구성되어 있다. 중성자는 [[페르미온]]이지만, 마찬가지로 이들은 서로 짝을 지어 초유체성을 갖게 된다. 중성자별의 초유체성은 [[찬드라 엑스선 관측선]]이 2010년 11월 관측을 통해 간접적으로 확인하였다.<ref>{{저널 인용|arxiv=1012.0045|제목=Cooling neutron star in the Cassiopeia~A supernova remnant: Evidence for superfluidity in the core|이름=Peter S.|성=Shternin|공저자=Dmitry G. Yakovlev, Craig O. Heinke, Wynn C. G. Ho, Daniel J. Patnaude}}</ref><ref>{{저널 인용|arxiv=1405.7847|제목= Highlights and Discoveries from the Chandra X-ray Observatory|이름=H.|성= Tananbaum|공저자=M. C. Weisskopf, W. Tucker, B. Wilkes, P. Edmonds}}</ref>

== 이론 ==
=== 란다우 조건 ===
이론적으로, 주어진 양자역학적 계가 초유체성을 가지는지의 여부는 '''란다우 조건'''({{llang|en|Landau criterion}})을 따라 판정할 수 있다.<ref>{{서적 인용|이름=L. D.|성=Landau|저자링크=레프 란다우|공저자=E. M. Lifshitz|제목=Statistical Physics|연도=1969|url=https://archive.org/details/ost-physics-landaulifshitz-statisticalphysics}}</ref>{{rp|192}}<ref name="Zee">{{서적 인용|성=Zee|이름=Anthony|year=2010|title=Quantum Field Theory in a Nutshell|판=2판|url=http://www.kitp.ucsb.edu/members/PM/zee/QuantumFieldTh.html|publisher=Princeton University Press|isbn=9780691140346|언어=en|확인날짜=2014년 6월 26일|보존url=https://web.archive.org/web/20140318071346/http://www.kitp.ucsb.edu/members/PM/zee/QuantumFieldTh.html|보존날짜=2014년 3월 18일|url-status=dead}}</ref>{{rp|284}} [[레프 란다우]]가 제안한 이 조건에 따르면, 계의 [[분산 관계]]가 선형인 경우 계는 초유체성을 가진다. 즉,
:<math>\min\omega(k)/k\equiv v_0>0</math>
일 경우 계는 초유체가 된다.

란다우 조건은 다음과 같이 유도할 수 있다. 일반적인 유체에서는 계의 운동량이 추가 진동 모드의 생성으로 인해 분산되어 사라질 수 있다. 즉, 운동량 <math>\hbar k</math>의 모드가 하나 생성되면, 계의 운동량 <math>P</math>는
:<math>P\to P-\hbar k</math>
으로 감소한다. 이러한 과정이 일어나려면, 이 진동 모드를 생성할 만큼의 에너지가 있어야 한다. 즉,
:<math>\frac1{2M}P^2\ge\frac1{2M}(P-\hbar k)^2+\hbar\omega(k)</math>
이다. 이를 정리하고, <math>P=Mv</math>를 대입하면 다음과 같다.
:<math>v\ge\omega(k)/k+\frac{\hbar k}{2M}</math>
두 번째 항 <math>\hbar k/2M</math>은 미시적이므로 무시할 수 있다. 따라서
:<math>v\ge\omega/k</math>
가 된다. 즉, 만약 계의 분산 관계가 <math>\omega/k\ge v_0</math>을 만족시킨다면, 오직
:<math>v\ge v_0</math>
인 경우에만 운동량이 분산될 수 있다. 다시 말해, 이 임계 속도보다 느리게 움직이는 경우 운동량이 분산되지 못하고, 따라서 계는 저온에서 초유체처럼 행동하게 된다.

=== 초유체의 모형 ===
초유체를 나타내는 대표적인 모형은 [[그로스-피타옙스키 방정식]]이다. 이는 약하게 상호작용하는 비상대론적 보손들을 나타내며, [[슈뢰딩거 방정식]]에 비선형 멕시코 모자 퍼텐셜을 추가한 것이다.<ref name="Zee"/>{{rp|283–284}}
:<math>\mathcal L=\phi^\dagger\left(i\frac\partial{\partial t}+\frac1{2m}\nabla^2-V(x)\right)\phi-\frac12g(|\phi|^2-\rho_0)^2</math>
이 경우, 복소 스칼라장의 U(1) 대칭이 [[자발 대칭 깨짐]]을 겪고, [[골드스톤 보손]]이 생긴다. 즉, <math>\phi</math>를 유질량 성분과 무질량 성분으로 분해하여 쓰자.
:<math>\phi=(\sqrt{\rho_0}+\alpha)\exp(i\theta)</math>
그렇다면 <math>\alpha</math>는 질량을 갖게 되고, 반면 <math>\theta</math>는 무질량 골드스톤 보손이다. <math>\alpha</math>를 적분해 없앤 [[유효 이론]]에서, <math>\theta</math>의 [[분산 관계]]는 대략 무질량 [[클라인-고든 방정식]]을 따른다.
:<math>\left(\frac{\partial^2}{\partial t^2}-\frac{2g^2\rho_0}{m}\nabla^2\right)\theta\approx 0</math>
즉, 낮은 에너지에서 유효 [[로런츠 대칭]]이 발생하게 되며, 이 경우 유효 광속은 다음과 같다.
:<math>c_{\text{eff}}=\sqrt{2g^2\rho_0/m}</math>
상대론적 무질량 입자는 물론 선형 분산 관계를 따르므로, 이 경우 임계 속도 <math>c_{\text{eff}}</math> 이하에서 계는 초유체가 된다.

== 역사 ==
최초로 발견된 초유체는 [[헬륨-4]]이다. [[헬륨-4]]의 초유체성은 [[1937년]]에 [[표트르 레오니도비치 카피차]] 및 존 프랭크 앨런({{llang|en|John Frank Allen}})과 돈 마이스너<ref>{{저널 인용|저널=Nature|권=141|쪽=75–75|날짜=1938-01-08|doi=10.1038/141075a0}}</ref>에 의해 발견되었다. 이 공로로 카피차는 1978년 [[노벨 물리학상]]을 수상하였다.

1970년대에, [[데이비드 리]]와 [[더글러스 오셔로프]], [[로버트 콜먼 리처드슨]]은 [[페르미온]]인 [[헬륨-3]] 또한 극저온에서 초유체가 된다는 사실을 발견하였다. 이 공로로 이들은 1996년 [[노벨 물리학상]]을 수상하였다.

2000년에는 초저온 보손 ([[루비듐]] 87) 기체가 실험을 통해 초유체 성질을 보인다는 것이 밝혀졌다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1103/PhysRevLett.84.806}}</ref> 2005년에는 [[볼프강 케테를레]]의 실험을 통해 초저온 페르미온 ([[리튬-6]]) 기체가 초유체의 성질을 보인다는 것이 밝혀졌다.

== 같이 보기 ==
* [[초고체]]
* [[보스-아인슈타인 응축]]
* [[보스 기체]]
* [[초전도 현상]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 참고 문헌 ==
* {{서적 인용|제목=Basic Superfluids|총서=Master’s Series in Physics and Astronomy|출판사=CRC Press|isbn=978-0748408924|이름=Antony M.|성=Guénault|언어=en}}
* {{서적 인용|first=James F. |last=Annett|title=Superconductivity, superfluids, and condensates|publisher=Oxford University Press|날짜= 2005|isbn= 978-0-19-850756-7|언어=en}}
* {{저널 인용|제목= Teaching superfluidity at the introductory level|이름=Alexander J.M.|성=Schmets|공저자=Wouter Montfrooij|bibcode=2008arXiv0804.3086S|언어=en}}
* {{저널 인용|제목= Introduction to nonlinear phenomena in superfluid liquids and Bose-Einstein condensates: helium, semiconductors and graphene|이름=Oleg L.|성=Berman|공저자=Roman Ya. Kezerashvili, German V. Kolmakov|arxiv=1102.0600|doi=10.1080/00107514.2011.577566|bibcode=2011ConPh..52..319B|저널=Contemporary Physics|권=52|호=4|쪽=319–340|언어=en}}

== 외부 링크 ==
{{위키공용분류}}
* {{저널 인용|제목=초전도 및 초유동 현상에 주어진 또 한번의 노벨물리학상: 들어가는 말|저자=최한용|저널=물리학과 첨단기술|날짜=2003-11|권=12|호=11|쪽=2–3|url=http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/80_article.pdf|언어=ko|확인날짜=2014-06-29|보존url=https://web.archive.org/web/20160305041212/http://kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/80_article.pdf|보존날짜=2016-03-05|url-status=dead}}
* {{저널 인용|제목=3-He의 초유체 현상과 A.J. Leggett의 노벨상 수상 업적|저자=방윤규|저널=물리학과 첨단기술|날짜=2003-11|권=12|호=11|쪽=16–21|url=http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/83_article.pdf|언어=ko|확인날짜=2014-06-29|보존url=https://web.archive.org/web/20160305164519/http://kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/83_article.pdf|보존날짜=2016-03-05|url-status=dead}}

{{물질의 상태}}
{{전거 통제}}

[[분류:초유체| ]]
[[분류:유체역학]]
[[분류:응집물질물리학]]
[[분류:물질의 상]]
[[분류:물리학 개념]]
[[분류:신기술]]