몇 가지를 찾으려면 우주에서 가장 차가운 물체 중 하나이기 때문에 지역 대학보다 훨씬 더 멀리 갈 필요는 없습니다. 그곳에서 물리학자는 레이저 광과 자석을 사용하여 놀라운 화씨 -450도 이하로 원자를 냉각시킬 수 있습니다. 그들은 이 극저온 원자를 사용하여 방의 가장 약한 자기장도 감지하거나 1000분의 1초 이내의 정확도를 지닌 시계를 만들 수도 있습니다. 그러나 이러한 센서나 시계는 크고 깨지기 쉬우므로 연구실 밖으로 가져갈 수는 없습니다.

이제 노팅엄 대학(University of Nottingham)의 물리학자 팀은 초저온 양자 실험을 위한 3D 프린팅 부품을 사용하면 장치를 평소 크기의 1/3로 줄일 수 있음을 보여주었습니다.  8월에 Physical Review X Quantum 저널에 게재된 그들의 연구는  실험을 위한 더 작고 안정적인 맞춤형 설정을 만드는 더 빠르고 접근하기 쉬운 방법의 문을 열 수 있습니다.

극도로 차가운 원자는 양자역학의 규칙을 따르기 때문에 새롭고 유용한 행동을 보입니다. "초저온 원자는 다양한 정밀 기기에 적용되는 핵심 기술입니다."라고 이번 연구에 참여하지 않은 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 물리학자 John Kitching은 말합니다.

“초저온 원자는 시간을 감지하는 탁월한 센서입니다. 그것들은 우리가 관성력, 즉 가속도와 회전이라고 부르는 것에 대한 탁월한 센서입니다. 그들은 우수한 자기장 센서입니다. 그리고 그들은 훌륭한 진공 센서입니다.”라고 작업에 참여하지 않은 그의 동료 Stephen Eckel이 덧붙였습니다.

결과적으로 물리학자들은  차량 가속도의 변화를 감지하여 항해에 도움을 줄 수 있는 우주 탐사부터 지상의 중력을 감지하여 지하수의 정확한 위치를 찾아낼 수 있는 수문학에 이르기까지 다양한 환경에서 초저온 원자 장치를 사용하려고 오랫동안 노력해 왔습니다 . 그러나 이러한 작업을 수행할 수 있을 만큼 원자를 냉각시키는 과정은 종종 복잡하고 힘든 작업입니다. 이번 연구의 공동저자이자 노팅엄 대학의 물리학자인 네이선 쿠퍼(Nathan Cooper)는 “저는 저온 원자 실험자로 오랜 시간을 보냈기 때문에 기술적인 문제를 해결하는 데 모든 시간을 소비한다는 사실에 항상 좌절감을 느낍니다.”라고 말했습니다.

원자를 냉각하고 제어하는 ​​열쇠는 미세하게 조정된 레이저 광으로 원자를 공격하는 것입니다. 따뜻한 원자는 시속 수백 마일의 속도로 날아다니는 반면,  극도로 차가운 원자는  거의 가만히 서 있습니다 . 물리학자들은 따뜻한 원자에 레이저 빔이 닿을 때마다 빛이 원자에 부딪혀 원자가 에너지를 잃고 속도가 느려지고 차가워지는 것을 확인합니다. 일반적으로 그들은 거울과 렌즈(광학 부품)의 미로로 덮인 5x8피트 크기의 테이블에서 작업합니다. 이 테이블은 빛이 특별한 보관소에 보관된 수백만 개의 원자(종종 루비듐 또는 나트륨)를 향해 이동할 때 빛을 안내하고 조작합니다. 초고진공 챔버. 모든 극저온 원자가 이 챔버에 있는 위치를 제어하기 위해 물리학자들은 자석을 사용합니다. 그들의 들판은 울타리처럼 작동합니다.

마일 길이의 입자 가속기나 대형 망원경에 비해 이러한 실험 설정은 작습니다. 그러나 학술 연구실 외부에서 사용하기 위해 상용화 가능한 장치가 되기에는 너무 크고 취약합니다. 물리학자들은 종종 광학 미로의 모든 작은 요소를 정렬하는 데 몇 달을 소비합니다. 현장에서 흔히 발생하는 거울과 렌즈가 조금만 흔들려도 상당한 작업 지연이 발생할 수 있습니다. "우리가 시도하고 싶었던 것은 만들기가 매우 빠르고 안정적으로 작동할 수 있는 제품을 만드는 것이었습니다."라고 Cooper는 말합니다. 그래서 그와 동료들은 3D 프린팅에 눈을 돌렸습니다.

노팅엄 팀의 실험은 테이블 전체를 차지하지 않습니다. 테이블의 부피는 0.15입방미터로 대형 피자 상자 10개를 쌓은 것보다 약간 더 큽니다. “아주 아주 작습니다. 우리는 기존 설정에 비해 크기를 약 70% 줄였습니다.”라고 Nottingham 대학원생이자 이번 연구의 제1저자인 Somaya Madkhaly가 말했습니다. 그것을 만들기 위해 그녀와 그녀의 동료들은 매우 맞춤화 가능한 레고 게임과 같은 작업에 참여했습니다. 부품을 구입하는 대신 3D 프린팅한 블록으로 원하는 모양과 정확히 일치하도록 설정을 조립했습니다.

중요한 것은 소형화된 설정이 효과가 있었다는 것입니다. 팀은 2억 개의 루비듐 원자를 진공 챔버에 넣고 레이저 빛을 모든 광학 구성 요소에 통과시켜 빛이 원자와 충돌하도록 했습니다. 원자는 화씨 영하 450도보다 낮은 온도의 샘플을 형성했습니다. 이는 과학자들이 지난 30년 동안 보다 전통적인 종류의 장치를 사용해 왔던 것과 똑같습니다.

“이와 같은 저온 원자 시스템을 구축하는 것은 큰 진전이라고 생각합니다. 이전에는 개별 구성 요소만 3D 프린팅되었습니다.”라고 이번 연구에 참여하지 않은 라이프니츠 천체물리학 포츠담 연구소의 물리학자 Aline Dinkelaker는 말합니다. 이전 실험이 미리 설계된 우주선을 만들 수 있는 특별한 레고 키트를 구입하는 것과 비슷했다면 노팅엄 팀의 접근 방식은 우주선을 먼저 설계한 다음 우주선을 구성하는 블록을 3D 프린팅하는 것과 비슷했습니다.

3D 프린팅 사용의 가장 큰 이점은 모든 구성 요소를 맞춤 설계할 수 있다는 점이라고 Dinkelaker는 말합니다. “가끔 이상한 모양의 작은 구성요소나 이상한 모양의 공간이 있는 경우도 있습니다. 여기서 3D 프린팅은 훌륭한 솔루션이 될 수 있습니다.”라고 그녀는 말합니다.

논문의 또 다른 공동 저자인 Lucia Hackermuller는 각 부품을 자체 사양에 따라 제작하면 최적화가 가능하다고 말합니다. "우리는 가능한 최고의 디자인을 원하지만 문제는 일반적으로 건축상의 제약이 있다는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "하지만 3D 프린팅 방법을 사용하면 기본적으로 생각할 수 있는 모든 것을 프린팅할 수 있습니다." 이 최적화 프로세스의 일환으로 팀은 자석에 가장 적합한 배치를 찾기 위해 개발한 컴퓨터 알고리즘을 사용했습니다. 또한 그들은 완전히 정교해질 때까지 3D 프린팅된 구성 요소를 10번 정도 반복하여 작업했습니다.

새로운 연구는 기초 물리학 연구를 위한 이 도구를 보다 저렴하고 접근 가능하게 만드는 데 있어 한 걸음 더 나아간 것입니다. Cooper는 "이것이 표준 초저온 원자 실험을 더 저렴하고 훨씬 빠르게 설정함으로써 가속화되고 어느 정도 민주화되기를 바랍니다"라고 말했습니다. 그는 렌즈와 거울, 루비듐 원자, 3D 프린터만 가지고 무인도에 갇힌다면 평소보다 5~6배 빠른 속도로 약 한 달 안에 0에서 완전한 기능을 갖춘 장치로 갈 수 있을 것이라고 추측합니다. Madkhaly에게 처음부터 시작하는 것은 단순한 상상의 시나리오가 아닐 수도 있습니다. 그녀는 졸업한 후 고국인 사우디아라비아로 돌아가 3D 프린팅을 사용하여 새로운 초저온 원자 연구를 시작할 것이라고 말했습니다. “이 분야는 매우 새로운 분야입니다.”라고 그녀는 덧붙입니다.

Kitching은 또한 이러한 도구가 학계 외부, 예를 들어 자기장 또는 중력장을 포착하는 양자 기반 센서를 제조하는 회사에서 사용되는 것을 구상하고 있습니다. 이들 회사는 양자물리학 교육을 받은 과학자를 고용하지 않을 수도 있지만 그것은 중요하지 않습니다. 그는 기술자들이 3D 프린팅된 구성 요소로 장치를 조립할 조립 라인을 설정하는 것을 상상합니다. 그리고 이러한 장치가 지속적으로 조정하지 않고도 작동할 수 있을 만큼 안정적이라면 직원들은 여전히 ​​안심하고 사용할 수 있습니다.

예를 들어 상업용 극저온 원자 장치는 토목 기사, 석유 및 가스 회사, 고고학자 또는 화산학자가 중력에 대한 원자의 극도의 민감도를 기반으로 지하 지형을 더 잘 매핑하는 데 사용할 수 있습니다. 초저온 원자는 GPS 위성이  도달할 수 없는 경우에도 작동하는 탐색 도구의 중요한 요소임이 입증될 수도 있습니다  . 초저온 원자시계는 운송이나 통신 네트워크를 동기화하거나 모든 교환이나 거래에 매우 정확한 타임스탬프가 필요한 상황에서 금융 거래를 보호하는 데 사용될 수 있습니다.

Hackermueller와 그녀의 동료들은 기존 설정도 계속 최적화할 계획입니다. “우리는 아직 모든 3D 프린팅 기능을 완전히 활용하지 못했다고 생각합니다. 이는 우리의 설정이 훨씬 더 작을 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 그녀는 말합니다. 그들은 현재 크기의 거의 절반으로 줄일 수 있다고 생각합니다. Cooper는 이렇게 말합니다. “우리는 이것으로 할 수 있는 일의 한계가 무엇인지 알아볼 것입니다.”