[양자기체연구실] 난류 상태의 보즈-아인슈타인 응집체에서 발생하는 유효 점성 관측 (Physical Review Letters 논문 게재)
Enhancement of damping in a turbulent atomic Bose-Einstein condensate
수많은 입자가 하나의 파동 함수를 공유하는 보즈 아인슈타인 응집체(BEC)는 입자 간 상호작용으로 인해 초유체성을 띠는 시스템이다. 초유체성이란 임계 속도 이하의 속도로 움직이는 방해물이 들뜸(excitation)을 생성하지 못해 유체의 점성이 0이 되는 현상을 말한다. 그럼에도 시스템에 충분한 에너지를 가한다면, 위상학적 결함이나 포논(Phonon)과 같은 들뜸이 생성될 수 있으며, 이러한 들뜸 간의 상호작용으로 인해 다양한 길이 규모의 흐름을 가진, 소위 양자 난류(Quantum Turbulence)라 불리는 불규칙적인 흐름이 만들어 질 수 있다. 양자 난류의 미시적 에너지 전달 메커니즘은 고전 난류와는 다르지만, 운동량 공간에서의 에너지 분포는 보편적 법칙을 따르는 것으로 알려져 있어, 고전 난류와 거시적 거동의 유사성을 기대할 수 있다.
한편, 고전 난류의 흥미로운 특징 중 하나는 난류 상태의 유체에서 측정되는 '유효 점성'이 유체 본연의 점성보다 훨씬 크다는 점이다. 본 연구에서는, 난류가 발달한 BEC에 주기적 변형을 가하고, 그 감쇠를 측정하여, 난류가 없는 기저 상태의 BEC에 비해 감쇠가 현저히 증가함을 확인했다. 이런 연구가 가능했던 이유는, 인접한 스핀 간의 꼬임(Spin texture)을 유도해 불균일한 속도 장을 지닌 정상(steady) 상태의 양자 난류를 지속시키는 독특한 자기장 구동 방식을 도입한 덕분이다. 결론적으로, 이번 연구는 점성이 없는 초유체 시스템이라 할지라도 난류 상태가 만들어진다면 유효 점성이 발현되어 수송 특성이 달라질 수 있음을 실험적으로 확인했다는 것에 중요한 의미가 있다. 연구 결과는 Physical Review Letters 지에 게재되었다.
참여 연구원: 이정훈, 김종민, 정종흠, 신용일
[Abstract]
Turbulence enhances momentum transport in classical fluids, effectively increasing their viscosity. We investigate an analogous effect in a superfluid by measuring the damping of collective oscillations in an atomic Bose-Einstein condensate (BEC) containing stationary spin-superflow turbulence. Using continuous spin driving to maintain turbulence in a spin-1 23Na BEC, we excite its quadrupole mode and measure the damping rate over a range of temperatures. The damping consistently exceeds the Landau-damping rate expected for an equilibrium, non-turbulent BEC. The enhancement likely originates from two complementary processes: direct energy transfer from the mode to turbulent condensate fluctuations and turbulence-induced modification of the thermal cloud that amplifies Landau damping. These results establish collective-mode damping as a sensitive probe of momentum transport in superfluid turbulence.