양자 엔진? 보손과 페르미온 연료 시대는 끝났다.

여러분의 자동차는 어떤 연료를 사용하나요? 최근 과학자들이 연료가 필요 없는 양자 엔진을 만드는 데 성공했습니다. 휘발유나 경유를 주유하고 전기차처럼 충전하지 않아도 되는 엔진인데요. 지금 영화 이야기를 하는 것이 아닙니다. 실제로 일어난 일입니다.

엔진의 원리와 동작

과연 이 양자 엔진은 어떠한 원리로 작동하게 되는 걸까요? 그리고 양자 엔진은 미래에 어떠한 분야에서 응용될 수 있을까요? 일반적인 엔진은 내부에 있는 피스톤을 움직여서 출력을 만듭니다. 엔진의 연료와 산소를 넣고 폭발시키면 일시적으로 강한 압력이 발생하게 되는데요. 이 강한 압력에 의해서 엔진 내부의 피스톤은 빠르게 반대쪽으로 밀려나게 됩니다. 그리고 압력이 떨어지게 되면 피스톤은 다시 원래의 자리로 돌아가게 되죠. 엔진은 이러한 과정을 빠르게 반복하면서 출력을 만들 수 있게 되는 겁니다. 즉, 고압과 저압을 반복할 수만 있다면 어떠한 것도 엔진이 될 수 있다는 얘기입니다.

보손과 페르미온의 개념

그런데 이러한 고압과 저압의 차이는 반드시 연료가 있어야만 만들 수 있는 걸까요? 놀랍게도 입자를 이용해서도 이와 비슷한 두 가지의 상태를 만들어 낼 수 있습니다. 바로 입자의 상태 변화를 이용해서 에너지의 차이를 만들어 내는 거죠. 일반적으로 원자들은 입자의 구성 상태에 따라서 보손과 페르미온으로 크게 나눌 수가 있는데요. 예를 들어, 헬륨-3과 리튬-6 등의 원자들은 페르미온으로 헬륨-4와 탄소-12 등은 보손으로 분류됩니다. 이러한 분류의 기준은 원자를 구성하고 있는 양성자와 중성자 그리고 전자들을 모두 합한 수로 결정되죠. 만약에 모든 구성 요소를 합한 수가 홀수라면 페르미온이 되고, 짝수라면 보손으로 분류되는 겁니다.

보손과 페르미온의 특징

원자들은 이러한 홀수, 짝수의 차이에 따라서 원자의 안정성 등 다양한 차이가 발생될 수 있는데요. 예를 들어, 매우 낮은 온도에서 보손 원자들은 서로 뭉쳐져서 마치 하나의 원자처럼 움직이게 됩니다. 서로 밀착돼서 마치 붙어있는 것처럼 보이는 것이 아니라, 진짜 하나의 원자처럼 변하게 된다는 거죠. 하지만 페르미온 원자의 경우는 이와 반대로, 에너지의 양에 따라서 하나씩 쌓이게 되는 모습을 볼 수 있습니다. 이러한 차이는 극저온 상태에서 보손과 페르미온 간의 매우 큰 에너지의 차이를 만들게 되는데요. 페르미온 원자들은 서로 쌓이게 되면서 에너지도 같이 쌓이게 되지만, 보손 원자들은 서로 뭉쳐지면서 에너지가 상쇄됩니다. 결국 보손 원자들의 경우 에너지가 매우 낮아지게 되고 페르미온 원자들은 훨씬 더 큰 에너지를 갖게 된다는 거죠.

양자 엔진

그리고 이 두 상태를 빠르게 변화시킬 수 있다면, 엔진처럼 압력의 차이를 만들어 낼 수도 있다는 겁니다. 이러한 양자 엔진을 만들기 위해 과학자들은 가장 먼저 리튬-6을 준비해서 극저온으로 냉각시켰습니다. 앞에서 설명해 드렸듯이 리튬-6은 페르미온 원자로, 양성자 3개, 중성자 3개, 전자 3개의 총 9개 입자로 구성되어 있습니다. 과학자들은 이렇게 극저온으로 냉각된 리튬-6에다가 다른 리튬-6을 하나 더 가져와서 결합시켰습니다. 두 개의 리튬-6의 결합은 기존 9개의 구성 요소가 18개로 늘어나게 되는 결과로 이어지게 되는데요. 즉, 구성요소의 개수가 홀수에서 짝수로 변화돼서 입자의 특성도 헤르미온에서 보손으로 변하게 됩니다. 그리고 결합된 리튬-6을 다시 분리시키면 구성 요소의 개수가 9개가 돼서 다시 페르미온으로 돌아가게 되는 거죠.

관련된 논문은 아래 사이트에 있습니다.

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06469-8

양자 엔진의 탄생

과학자들은 자기장을 이용해서 이러한 과정을 빠르게 반복적으로 수행해 봤는데요. 그 결과 연료를 이용한 엔진의 출력 대비 약 25%의 출력을 만들어 내는 데 성공할 수 있었습니다. 정말 어떠한 연료도 없이, 오직 양자의 상태 변화만 가지고 실제 출력을 만들어 낸 겁니다. 영화나 게임에서 나올 법한 양자 엔진이 마침내 현실에서 탄생한 순간이었습니다. 비록 출력은 아직 25%에 불과하지만, 첫 단계라는 점을 감안하면 대단한 수치라고 할 수 있는데요. 다만, 양자 엔진을 냉각하는 데 들어가는 에너지를 고려하면 이보다 더 떨어질 수는 있습니다. 그래서 과학자들은 원자들을 냉각시키는 데 들어가는 에너지를 개선하기 위해서 노력하고 있죠. 만약 냉각 시스템을 개선하고 엔진의 출력을 훨씬 더 높일 수 있다면 우리 생활에도 응용할 수 있게 될 겁니다.

양자 엔진 영문 논문입니다.

양자 엔진 영문 논문.pdf

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양자 엔진의 현실화

그런데 양자 엔진이 완성되면 과연 어떠한 분야에서 사용될 수 있을까요? 양자 엔진은 주로 전기를 발생시키는 발전기의 개념으로 사용될 수 있을 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 전기자동차에 탑재되면 스스로 전기를 만들어 내서 별도의 충전이 필요 없어지게 될 수 있죠. 또한 현재 배터리를 사용하고 있는 다양한 전자제품들이나 우주를 탐사하는 우주선에도 이용될 수 있을 겁니다. 아직은 갈 길이 멀지만, 양자 엔진 기술은 언젠가 에너지 혁명으로 이어질 수 있게 될 겁니다. 양자 엔진 더 이상 영화 속 얘기가 아닙니다. 점점 현실이 되어 가고 있습니다.

 

 

초전도체 LK99 논문 APS(미국물리학회) 통과

 

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