1. 개요
super-photon광자, 쉽게 말해 빛을 압축해나가면 서로의 존재 확률 분포가 겹쳐 하나의 광자와 비슷해져가는 혹은 비슷해지는[1] 현상.
2. 발견
보통 압축 실험이라고 한다면 안에 공기나 물이 든 주사기의 입구를 막고 피스톤을 누르는 것을 떠올린다. 실험 결과는 일정 이상으로 누르면 더는 누르기 힘든 구간이 올 것이다. 이는 부피가 작아짐에 따라 압력이 커져서 그렇다.하지만 질량이 없는 광자를 넣으면 어떻게 될까?에 대한 물음으로 독일의 본 대학교(University of Bonn) 연구원들이 실험을 한 결과를 2022년 3월 24일과 3월 25일에 사이언스지[2]와 본 대학교 홈페이지[3]에 기재하였다.[4]
실험 방법은 다음과 같다.
- 한 쪽 면의 피스톤을 포함하여 거울로 만들어진 작은 상자에 광자를 저장한다.[5]
- 피스톤에 힘을 가해 상자를 압축시킨다.
- 어느 정도 압축이 되었을 때 광자를 추가해 밀도를 높인다.
- 2번 과정부터 반복한다.
광자는 질량이 없고 전자기력에 의한 반발도 없기 때문에 빛만 있다면 잘 밀릴 것이라고 생각하기 쉽지만 운동에너지가 있기 때문에 압축할 수록 부딪히는 횟수가 증가하여 안에서 밀어내는 힘이 커지게 된다.[6]
저항력이 심화되는 것을 확인하며 실험이 계속 진행중일 때, 어느 순간 '광자 가스'[7]가 특정 밀도를 초과하자 피스톤은 저항이 없어졌고 급기야 힘을 가하지 않아도 상자가 압축되었다.
광자는 명확하게 공처럼 있는 것이 아니라 확률적으로 분포해있는데, 전자기적 반발이 없는 광자들끼리 매우 높은 밀도로 압축된다면 서로 존재확률이 있는 범위가 겹치게 되면서 분간이 힘들어지는 상태가 된다.
이 때 보스-아인슈타인 응집에 의해 응집체의 일종인 초광자를 만들면서 피스톤을 밀지 않아도 압축이 되는 것이다. 이 압축은 상자 안이 응집체로 가득 찰 때까지 진행된다.
3. 실험 조건과 환경
균등한 상온의 광자를 박스에 저장하기 위해 상자를 열탕 후 광자를 흡수할 수 있는 분자를 넣은 다음 그 분자가 다시 광자를 방출하도록 하였는데, 이 때 온도는 300켈빈(섭씨 26.85도) 바로 밑이었다고 밝혔다.일반적인 상자 모양으로 광자를 담을 시 광자 가스가 어디에서나 균일한 밀도로 있기 힘들기 때문에 미세구조공법으로 만든 거울 상자의 밑면에 광자를 포집했다고 밝혔다.