소형 극저온 냉각 시스템이 곧 등장하나?
사우스차이나모닝포스트(South China Morning Post)에 따르면, 중국 과학자들이 헬륨-3에 의존하지 않고 절대 영도에 근접한 온도에 도달할 수 있는 새로운 희토류 합금을 개발했다고 전했다. 이 합금은 초전도 양자 칩, 군사용 첨단 전자 장비, 우주 응용 분야 등에 활용할 수 있는 소형, 헬륨-3 비의존형 냉각 시스템을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 움직이는 부품이 없는 소형 고체 상태 냉장 모듈을 개발했으며, 이 모듈은 액체 헬륨을 사용해 달성하는 일반적인 온도(-273°C)에 준하는 106 밀리켈빈(mK)까지 온도를 낮추는 데 성공했다. 이 냉각 모듈은 유로퓸, 코발트, 알루미늄으로 구성된 희토류 화합물(EuCo₂Al₉, ECA)을 기반으로 한다. 이 화합물은 금속에 필적하는 열전도율을 가지면서도, 이 연구 성과의 핵심 원리인 단열 자기장 감소(ADR, adiabatic demagnetization) 방식을 통해 자기 자신과 다른 부품까지 효과적으로 냉각할 수 있다는 특징을 지닌다.
ADR의 기본 원리는 비교적 간단하다. 자기 재료를 자기장 내에 배치하면, 자기장이 재료의 미세한 내부 자기 모멘트(원자 또는 전자와 관련된 미세 자기 쌍극자)를 정렬시키며 열을 방출시킨다. 이후 시스템을 격리하고 자기장을 제거하면, 모멘트들이 무질서한 상태로 돌아가 열을 흡수하며 온도를 낮춘다. 이 방식은 헬륨-3 대신 고체 재료를 이용하기 때문에, 기존의 서켈빈(sub-kelvin) 냉각 시스템에 필수적인 희귀 동위 원소인 헬륨-3의 의존성에서 벗어날 수 있다는 장점이 있다.
그러나 ADR 방식에는 한계가 있었다. 과거에는 사용된 재료 자체는 매우 차가워지더라도, 그 극저온의 열을 외부 부품으로 효과적으로 전달하는 데 어려움이 있어 실제 시스템 적용에 제약이 따랐다. 반면, 연구팀이 개발한 EuCo₂Al₉ 화합물은 이 문제를 해결했다. 이 화합물은 스스로 냉각될 뿐만 아니라 외부 부품까지 냉각할 수 있는 능력을 갖추게 함으로써, 헬륨-3가 필요 없는 냉각 시스템을 통해 부품들을 거의 절대 영도 온도까지 냉각하는 것이 가능해졌다.
실질적으로 볼 때, 새로운 냉각 모듈의 소형화 및 경량화된 특성은 더욱 휴대 가능한 초저온 냉각 시스템을 구현할 수 있게 한다. 이는 국제적인 경쟁의 다음 첨단 분야로 부상하고 있는 양자 컴퓨터 분야에 특히 큰 가치를 제공할 수 있다. 소형 초저온 냉각 시스템은 현재 기술로는 달성하기 어려운 수준의 성능을 가진 고도로 확장 가능한 양자 컴퓨팅 플랫폼 구축을 가능하게 할 전망이다.
중국과학원(Chinese Academy of Sciences)에 따르면, 해당 합금은 대량 생산 잠재력을 지니고 있으며, 이 재료를 기반으로 한 순금속 냉장 모듈이 이미 성공적으로 시연된 상태다.
이번 개발은 헬륨-3 대체재에 대한 관심이 고조되는 시점에 나왔다. 지난 1월 27일, 미국 국방고등연구계획국(DARPA)은 차세대 양자 및 국방 응용 분야를 위해 헬륨-3에 의존하지 않는 모듈식 냉장 시스템을 요구하는 공고를 발표했다. 2주도 채 되지 않아 중국 연구팀이 관련 결과를 발표하면서, 기술적 선도 주도권을 확보했음을 시사하고 있다.