6.10 보스–아인슈타인 응축과 초유체성

목차 ／ 제6장: 양자 영역

I. 현상과 핵심 질문

보손 집단을 극저온으로 식히면 개별적으로 움직이지 않고 하나의 양자상태를 함께 점유합니다. 시료 전반에 위상이 맞춘 “카펫”이 깔린 듯 일제히 출렁입니다. 대표 지표로는 두 독립 응축체를 동시에 풀었을 때 나타나는 선명한 간섭무늬, 고리 용기에서 오래 지속되는 무저항 순환, 약한 교반에서 거의 0에 가까운 점성(임계치 이후에는 양자화된 소용돌이의 돌발 생성)이 있습니다. 질문은 명확합니다. 왜 매우 차가운 유체는 거의 마찰 없이 흐르고, 왜 유속은 연속이 아니라 양자화된 단계로 나타나며, 왜 ‘정상 성분’과 ‘초유체 성분’이 공존합니까?

II. 에너지 스레드 이론(EFT) 관점: 위상 고정, 채널 차단, 결함의 양자화

**에너지 스레드 이론(EFT)**에서는 원자나 짝지은 전자 같은 안정 구조가 스레드의 감김으로 형성된다고 봅니다. 외층은 **에너지 바다(Energy Sea)**와 결합하고 내부는 고유 박동을 지킵니다. 전체 스핀이 정수이면 집단 운동은 보손 규칙을 따르고 위상이 코히런트하게 합산됩니다. 충분히 식히면 세 가지가 핵심입니다.

• 위상 고정: 흐르는 ‘위상 카펫’의 형성
  온도가 내려가면 **장력 배경 잡음(TBN)**이 줄어 위상을 흐트러뜨리는 섭동이 적어집니다. 이웃한 외층 위상이 서로 맞춰져 시료를 가로지르는 공통 위상 네트워크—카펫—가 깔립니다. 그러면 집단 흐름의 에너지 비용이 크게 떨어져, 가장 매끈한 장력 회랑을 따라 흐르는 것처럼 보입니다.
• 채널 차단: 점성의 붕괴
  보통 점성은 미세 물결 채널을 통해 에너지가 환경으로 새어 나가며 생깁니다. 카펫이 형성되면 이 집단 질서가 누설 채널을 억제합니다. 코히런스를 해칠 섭동은 전체가 튕겨 내거나 아예 발생하지 못합니다. 그래서 약한 구동에서는 저항이 거의 없고, 유량·전단을 키우면 카펫이 곳곳에서 버티지 못해 새로운 소산 경로가 열립니다.
• 결함의 양자화: 소용돌이의 등장
  카펫은 임의로 비틀 수 없고, 충분한 응력에서는位상 결함으로만 양보합니다. 전형적 결함은 양자화 소용돌이입니다. 낮은 임피던스의 실 모양 코어 주위를 위상이 1·2·3… 정수 바퀴 감습니다. 정수는 단가치 폐합을 보장합니다. 소용돌이의 생성·소멸이 초유체가 에너지를 잃는 주 경로가 됩니다.
• 두 성분의 자연스러운 공존
  절대 0 K가 아니면 일부는 위상 고정에서 벗어나 환경과 에너지를 교환합니다. 이것이 정상 성분이고, 위상 카펫이 초유체 성분입니다. 결과적으로 두 유체 그림이 자연히 나옵니다. 온도가 내려갈수록 카펫이 더 넓게 깔리고 초유체 비율이 커집니다.

개념 경계: EFT에서 게이지 보손(광자, 글루온)은 바다를 전파하는 파동 묶음이고, 원자 응축은 안정 감김 구조의 위상 고정입니다. 둘 다 보손統計지만 “재료”가 다릅니다. 전자는 장 리플의 포락, 후자는 외층의 집단 자유도입니다.

III. 대표 장면: 헬륨에서 냉각 원자까지

• 초유체 헬륨
  헬륨-4는 분수 효과, 벽 타기, 소용돌이 격자를 보입니다. EFT에 따르면 위상 카펫이 벌크를 덮으며, 느린 구동에서는 에너지 바다로 통하는 누설 채널을 거의 열지 않습니다. 소용돌이 채널이 강제로 열릴 때까지 그렇습니다.
• 희박한 냉각 원자 응축
  마그네토–광학 트랩의 알칼리 원자 구름이 응축합니다. 방출 뒤 두 독립 응축체가 겹치면 간섭무늬가 곧장 드러납니다. EFT 관점에서 두 카펫의 가장자리가 위상 정렬을 이루고, 무늬는 “위상 정렬 패턴”이지 개별 충돌 자국이 아닙니다.
• 환형 트랩과 지속 전류
  고리 채널에서 순환이 장시간 유지됩니다. EFT에 따르면 닫힌 카펫의 감김수(윈딩 넘버)가 고정되며, 소용돌이 문턱을 넘는 구동에서만 다음 정수 단계로 점프합니다.
• 임계 속도와 장애물
  광학 “스푼”을 천천히 끌면 항적이 없지만, 어떤 속도를 넘으면 소용돌이 열이 나와 점성이 증가합니다. EFT에 따르면 저속에서는 채널이 닫혀 있고, 고속에서는 카펫이 찢어져 결함 열이 튀어나와 에너지를 운반합니다.
• 2차원 박막과 소용돌이 쌍
  2D 극한에서는 소용돌이가 반소용돌이와 짝을 이룹니다. 온도가 임계점을 넘으면 쌍이 풀리며 질서가 붕괴합니다. EFT에서는 2D 카펫이 쌍을 이룬 결함만 허용하고, 쌍이 깨지면 위상 네트워크가 무너집니다.

IV. 관측 지표

• 간섭: 응축체 겹침으로 안정적인 무늬가 생기며, 무늬의 위상은 전역 위상차만큼 평행 이동합니다.
• 거의 무점성 흐름: 약한 구동에서 압력–유량 관계가 거의 무손실이며 압력 강하가 축적되지 않습니다.
• 양자화 소용돌이: 회전·강한 교반 시 격자 형태로 나타나고, 개수는 회전수에 비례하며 코어 크기는 고유 스케일을 가집니다.
• 임계 도약: 속도 문턱을 넘으면 소산과 발열이 급증합니다.
• 이중 성분 수송: 열유동과 질량유동이 분리될 수 있고, “엔트로피 파”에 해당하는 제2음이 나타납니다.

V. 표준 기술과의 대조

표준 기술은 위상 카펫을 거시적 파동함수(질서변수)로 기술하고, 속도는 위상 구배로 정해집니다. 저속에서는 들뜰 수 있는 에너지 운반자가 없어 소산이 없습니다. 임계 속도는 소용돌이와 포논이 들뜰 수 있는지로 정해집니다. EFT는 더 “물질감 있는” 그림을 보입니다. **장력 배경 잡음(TBN)**이 억제되면 외층 위상이 공동 네트워크로 고정되고, 약한 구동에서는 누설 채널이 닫힌 채 유지되며, 강한 구동에서는 양자화 결함으로 열립니다. 두 설명은 관측과 스케일에서 합치하지만, 전자는 기하·파동을, 후자는 스레드·바다의 조직을 강조합니다.

VI. 요약하면

보스–아인슈타인 응축과 초유체성은 “극저온의 수수께끼”가 아닙니다. 핵심은 위상을 고정해 스케일을 가로지르는 카펫을 까는 일입니다. 이 카펫은 흐름을 가장 매끄러운 장력 회랑으로 이끌고, 작은 구동에서는 소산 경로를 닫아 둡니다. 구동이 커지면 카펫이 양자화 소용돌이로 양보하며 소산이 시작됩니다.
요약하면, 위상 고정이 카펫을 깔고 채널을 닫습니다; 강한 구동은 결함을 낳고 소산을 부릅니다.