안녕하세요. 원자를 냉각하면 움직임이 느려지는 이유는 온도가 원자 집단을 구성하는 입자들의 평균 운동에너지와 밀접하게 관련되어 있기 때문입니다. 눈에 보이는 물체는 냉장고처럼 주변으로 열을 방출시켜 온도를 낮추지만, 개별 원자나 원자 집단은 레이저 빛을 이용해 원자의 운동량을 직접 줄이는 방법으로 냉각할 수 있으며, 이를 레이저 냉각이라고 합니다.
먼저 원자 집단의 온도가 무엇을 의미하는지 이해해야 하는데요, 우리가 일상적으로 사용하는 온도는 물질을 구성하는 수많은 입자들의 평균적인 운동에너지와 관련이 있습니다. 기체 상태의 원자들은 서로 다른 방향과 속도로 끊임없이 움직이는데, 온도가 높을수록 원자들의 평균 운동에너지가 커지고 속도도 빨라집니다. 반대로 온도가 낮아지면 평균 운동에너지가 감소하면서 원자들의 움직임이 느려집니다. 이상적인 단원자 기체에서는 원자 하나의 평균 병진 운동에너지가 절대온도에 비례하며, 원자 집단의 온도는 개별 원자의 운동에너지를 평균적으로 나타내는 물리량이라고 이해할 수 있습니다.
빛으로 어떻게 원자의 움직임을 늦출 수 있는지에 대해서 핵심은 레이저 빛이 운동량을 가지고 있다는 사실입니다. 빛은 질량이 없지만 운동량을 가지므로 원자에 흡수되거나 방출될 때 원자의 운동량을 변화시킬 수 있습니다. 대표적인 방법이 도플러 효과를 이용한 레이저 냉각입니다. 원자가 움직이는 방향에서 레이저를 비추면, 원자는 자신의 운동 방향을 향해 다가오는 빛의 진동수를 더 높게 인식합니다. 이때 레이저의 진동수를 원자가 흡수하기 좋은 조건에 맞추면 원자는 빛을 흡수하면서 빛이 진행하는 방향과 같은 방향으로 운동량을 받습니다. 따라서 원자가 레이저를 향해 움직이고 있다면 빛을 흡수하는 과정에서 운동 방향과 반대되는 힘을 받아 속도가 감소합니다. 이러한 원리를 이용해 서로 마주 보는 여러 방향에서 레이저를 비추면 원자가 어느 방향으로 움직이든 운동을 방해하는 힘을 받게 되며, 이를 광학적 당밀이라고 하는데요, 끈적한 액체 속에서 물체가 움직일 때 저항을 받는 것처럼 원자의 움직임이 점차 느려지는 것입니다. 이후 자기장을 이용해 원자를 한곳에 모으는 자기광학트랩 등의 기술을 활용하면 원자를 더욱 낮은 온도로 냉각하고 가둘 수 있습니다.
흥미로운 점은 원자를 절대영도까지 완전히 정지시키는 것은 불가능하다는 것입니다. 절대영도에 가까워질수록 열적 운동은 극도로 작아지지만, 양자역학의 불확정성 원리에 따라 원자가 완전히 정지한 상태로 존재할 수는 없습니다. 과학자들은 이러한 극저온 환경에서 보스-아인슈타인 응축과 같은 새로운 양자 현상을 관찰하기도 합니다. 감사합니다.