극저온 NaRb 극성 분자로 보스-아인슈타인 응집체 구현 성공

분자 BEC: 오랜 미해결 과제

보스-아인슈타인 응집은 보손 입자들이 절대영도에 근접할 때 동일한 양자 상태를 점유하며 집단적 거동을 나타내는 물질 상태다. 1995년 희박한 원자 가스로 처음 구현된 이후 원자·분자·광학(AMO) 물리학의 패러다임을 바꾼 성과로 평가받으며, 2003년에는 분자로도 첫 BEC가 보고됐다.

극성 분자는 양·음전하가 공간적으로 분리된 구조 덕분에 영구 전기 쌍극자 모멘트를 지닌다. 풍부한 내부 자유도와 장거리 쌍극자 상호작용 덕에 원자계에서는 접근하기 어려운 강결합 다체 현상 탐구에 유리하다. 그러나 두 분자가 충돌할 때 수 마이크로초 동안 복합체를 형성하며 소멸하는 이른바 '보편적 2체 충돌 손실'이 BEC 진입을 가로막아왔다. 이전까지는 NaCs 분자만이 이중 마이크로파 손실 억제 방식을 통해 BEC에 도달한 사례였다.

이중 마이크로파 드레싱 기법

연구팀은 NaRb의 J=0→J=1 회전 전이 근방에 맞춘 청색 이탈(blue-detuned) 마이크로파 장을 인가해 분자 간 장거리 반발 장벽을 형성했다. 원편광 마이크로파는 회전하는 쌍극자를, 선편광 마이크로파는 진동하는 쌍극자를 각각 유도한다. 두 유형의 쌍극자는 분자 간 상호작용에서 부호가 반대이기 때문에, 두 장의 세기 비율을 조절하면 분자 간 상호작용 크기를 연속적으로 조율할 수 있다.

이렇게 만들어진 반발 장벽은 손실을 유발하는 비탄성 충돌을 강하게 억제하는 동시에, 증발 냉각에 필수적인 탄성 충돌 비율은 충분히 유지시켰다. 탄성 대 비탄성 충돌 비율이 충분히 커진 시점부터 광학 트랩 퍼텐셜을 점진적으로 낮춰 가장 에너지가 높은 분자를 이탈시키고, 남은 분자들이 점점 낮은 온도로 열화(thermalization)되는 증발 냉각이 유효하게 작동했다.

응집체 생성과 양자 방울 관측

증발 냉각 과정이 반복되면서 NaRb 가스는 BEC 상전이를 통과했다. 비행 시간(TOF) 흡수 이미지와 광학 밀도 프로파일에서 이중 분포 구조가 관측되어 응집체 형성이 확인됐다.

주목할 점은 응집체 내에서 자기 결속 양자 방울(self-bound quantum droplet) 형성도 동시에 관측됐다는 사실이다. 이론적 예측에 따르면 원편광 마이크로파가 유도하는 쌍극자 상호작용의 부호 특성상 이 방울은 단층 구조를 취할 것으로 예상되나, 현재 응집체 내 분자 수가 상대적으로 적어 세부 검증에는 한계가 있다. 시료 규모와 안정성 개선이 단기 목표로 제시됐다.

기술적 의미와 이론적 도전

이번 결과는 이중 마이크로파 손실 억제 방식이 NaCs 이외의 극성 분자에도 적용 가능함을 실증하며, 더 일반적인 분자 BEC 구현 경로를 제시한다.

한편 이 계에서 마이크로파 드레싱이 형성하는 장거리 반발 장벽의 길이 척도가 분자 간 평균 간격과 유사한 수준임을 연구팀은 강조했다. 이는 희박한 원자 가스 BEC 이론의 기본 가정들이 그대로 적용되지 않을 수 있음을 시사하며, 연구팀은 액체 헬륨과의 유사성도 언급했다. 들뜸 스펙트럼, 상태방정식 등 기초 물성 측정이 후속 과제로 꼽힌다. 공동 교신저자는 Tao Shi(ITP, CAS)와 Dajun Wang(홍콩중문대)이다.