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만물의 비밀을 풀기 위해 과학자들은 우주가 갖는 한계를 뛰어넘는 환경을 실험실에서 구현하려고 애쓴다. 예를 들어 우주의 극고진공, 핵융합이 일어나는 별의 극고온의 상태 등이 그것이다. 그런데 다양한 우주의 한계치 중 과학자들이 거의 정복해 가는 영역이 한 가지 있다. 바로 극저온의 세계다. 우주의 최저온도는 2.7K(절대온도 0K=-273℃)인데, 과학자들은 이보다 낮은 온도를 이미 실험실에서 실현시켜 절대영도, 즉 -2백73℃에 매우 가깝게 근접했다. 그러면 왜 과학자들은 극저온 상태를 얻으려고 했던 것일까?
과학자들은 처음부터 저온상태 자체를 얻고자 한 것은 아니었다. ‘영원히 기체 상태로 존재하는 기체가 존재하느냐’는 궁금증에서 비롯됐다. 물질은 일정한 압력에서 온도가 낮아질수록 기체에서 액체, 그리고 고체로 상태가 바뀐다. 따라서 산소처럼 실온환경에서 항상 기체 상태로 존재하는 물질이라도 온도를 낮춘다면 모두 액체로 바뀔 것이다. 바로 이 점을 확인하고자 했던 과학자들은 저온세계로 내려간 것이다. 그런데 1840년대 미국의 한 의사는 말라리아에 걸린 환자를 위해 방의 온도를 낮추고자 소량의 공기를 액체화시켰다. 이것이 기체의 액체화로서는 최초였다. 이후로 극저온에 도달하고자 하는 과학자들의 정복 욕구는 끊임없이 이어졌고, 그것을 이용한 실용적 기술들, 이를테면 대륙간 탄도 미사일과 우주로켓 등에 쓰이는 액체 기체 추진체 등이 개발되었다.
그러면 과학자들은 어떻게 극저온을 얻는 것일까? 가장 간단한 방법은 물체를 냉동액체에 담그는 것이다. 그러나 이러 냉동액체 이용법으로 얻을 수 있는 최저온도는 4K이다. 가장 낮은 냉동액체인 액체헬륨의 끊는점이 4K이기 때문이다. 그러면 4K보다 낮은 온도를 얻기 위해서는 어떤 방법을 동원해야 할까? 먼저 액체헬륨을 강제로 증발시키는 증발냉동법을 들 수 있다. 이는 액체가 증발해 기체가 될 때 주위로부터 열을 빼앗는 원리를 이용한 것이다. 그러나 온도가 계속 내려가면 액체 위에 떠있는 기체의 양들이 적어지기 때문에 강제 증발도 불가능하게 된다. 따라서 보통의 헬륨을 이용할 경우 증발에 의해 대략 1K 정도까지 내릴 수 있다. 그런데 헬륨의 동위원소 중 헬륨4(원자량이 4인 헬륨)보다 가벼워 휘발성이 좋은 헬륨3(원자량이 3인 헬륨)을 이용할 경우 1K보다 낮은 0.3K까지 낮출 수 있으나 헬륨3이 지구상에 극히 드물어 그 유지에 신경을 써야 하기 때문에 극저온을 얻는 데 어려움이 있다.
증발냉동의 한계(mK)보다 낮은 온도를 얻기 위해서는 자기냉동이 이용된다. 증발냉동으로 낮출 수 있는 온도까지 내린 후 외부에서 강한 자기장을 걸어준다. 이를 통해 물질을 구성하는 원자들의 자기적 성질을 한 방향으로 정렬시킨다. 그런 후 단열상태에서 외부 자기장을 없애주면 mK이하로 온도가 내려간다. 이와 같은 자기 냉동방법으로 μK(10-6K) 이하의 온도도 얻을 수 있다. 한편 레이저를 이용해서 온도를 낮추는 방법도 있다. 2개의 레이저를 양방향에서 기체 원자를 향해 쏘면 원자들이 두 레이저 빛과의 계속되는 충돌로 인해 속도가 줄어드는데, 이때 원자들의 온도가 내려가는 것이다. 이를 세 개의 축에서 반대방향으로 진행하는 세 쌍의 레이저를 이용하면 공간적으로 완벽히 한 지점에 원자들을 멈추게 할 수 있다. 이 같은 레이저 냉각법으로 원자들을 nK(10-9K)까지 온도를 낮출 수 있다. 이 정도의 온도에서 원자는 1초에 2cm 움직이는데, 상온에서 기체가 빛 속도의 1천분의 1 정도로 아주 빠른 속도인 것과 대조된다.
우리나라에서 극저온 연구는 장비가 제대로 갖춰져 있지 않아 국내 일부 대학에서만 이뤄지고 있다. 게다가 유지비가 만만치 않아서 장비를 갖추고 있음에도 불구하고 제대로 가동되지 않는 실정이다. 다만 기초과학지원연구소가 다양한 극저온 장비들을 갖춰 국내 대학의 여러 교수들이 공동으로 연구팀을 만들어 연구에 매진할 수 있는 환경을 갖추고 있다. 그러나 한두 대의 장비를 많은 사람들이 이용해야 하므로 그 순서를 기다리는데 많은 시간이 소요돼 오늘날과 같은 빠른 과학발전에 따라가지 못하고 있다.
-이수일, <왜 극저온 상태를 얻으려 할까>에서
