양자 시뮬레이터 이용한 극저온 원자 운동 규명

캐나다 연구팀, 극저온 시뮬레이터 이용해 양자 스핀 운동 관찰

캐나다 극저온연구팀의 실험에 쓰인 극저온진공장치 [사진제공:덴질 그린 (CIFAR)

아주경제 이한선 기자 = 캐나다 과학자들이 극저온의 원자들이 어떻게 서로 반응하는지 규명했다.

조셉 타이위센 토론토 대학 극저온원자연구실 연구원으로 캐나다첨단연구소(CIFAR) 소속인 연구팀이 극저온 가스 안에서 원자의 자력과 확산에 대해 규명한 결과가 15일자(현지시간) 사이언스에 게재됐다.

연구팀은 매우 저압의 진공에서 공기보다 수십억 배가 찬 가스를 만들고 미세한 자석처럼 운동하는 극저온의 원자들을 한 방향으로 지향하게 하고 병원 MRI에서 쓰이는 스핀 에코와 같은 효과를 이용해 스핀을 조정했다.

나선형으로 돌리고 푸는 것을 통해 원자들간의 상호작용 강도를 측정했다.

연구팀은 처음 원자는 상호작용을 하지 않지만 1미리초 후에 강하게 상호작용을 한다는 것을 관찰했다.

이같이 빠른 변화는 프로세스가 일어나면서 원자의 자성을 바꾸는 뭔가가 일어난다는 것을 제시한다.

타이위센은 “파울리의 원리는 이상적인 극저온 원자가 상호작용하는 것을 설명하지 못해 미세한 수준에서 무엇인가가 스핀을 움직인다는 것을 알았다”고 설명했다.

파울리의 원리는 전자는 다른 전자가 이미 가진 상태를 동시에 가질 수 없다는 배타성을 설명한 것으로 물체가 자리 잡은 곳에 다른 물체가 존재하지 못하는 것을 설명하는 원리다.

전자가 원자핵 근처에 몰려 있지 않는 이유와 일정 궤도 형태를 이루는 것을 설명하는데 도움이 됐다.

연구팀은 향수의 향기가 방안의 공기 중에서 퍼지는 현상과 같은 분산이 일어난다는 것을 알았다.

방 앞에서 향수병을 열면 시간이 좀 지난 후에 입자가 방 뒤로도 분산되는 과정에서 처음에는 입자들끼리 부딪치지만 결국에는 퍼지는 것과 같은 것으로 많은 입자들이 부딪칠수록 분산이 늦게 일어나는 것과 같다는 설명이다.

상호작용을 최대치로 하기 위해 절대 영도 부근의 백만분의 1도 정도로 낮추자 분산 속도가 0에 이르는 대신 분산의 한계 최저치를 발견했다.

연구팀은 고속도로의 차들이 속도제한을 지키듯이 강하게 상호작용하는 스핀들이 최저 양자 속도 이상으로 분산하고 있는 것이라고 설명했다.

극저온 원자들은 초전도체와 자성 물질 등과 같이 강하게 상호작용하는 물질들 중의 하나다.

연구팀은 ‘비누 방울’로 부르는 양자물질 세계에서의 수수께끼 문제를 해결하기 위해 노력해 왔다.

연구팀은 양자 재료의 운동을 규명하는 것은 비누방울이 있는 물통에 철사 옷걸이를 집어넣어 움직임을 관찰하는 것과 같다고 설명했다.

수학 방정식이 비누거품의 모양과 각도에 대해 설명할 수 있기 전부터 수학자들은 비누막이 자연적으로 표면적을 줄인다는 가정을 해왔다.

초전도체와 같은 양자 물질 내의 전자가 빠르게 이동해 제대로 관찰하기 힘들기 때문에 연구팀은 서로 다른 양자 시스템을 구별하기 쉽도록 하기 위해 극저온 가스를 썼다.

타이위센은 “시뮬레이션은 답을 주지만 뒤에 깔려 있는 이론을 제시하지는 않는다”고 말했다.

타이위센은 CIFAR 양자 물질 프로그램 회원이다.

연구팀은 저온 원자들이 초전도체와 같이 어떻게 전자들이 비정규적이고 중요한 성질을 드러내도록 조직되는지에 대한 신비를 탐구하는 길을 여는 데 기여하고 있다.

타이위센은 “이번 연구는 분산과정의 수학적인 단순함에 흥미를 느끼도록 한다”며 “연구 결과가 스핀 운동에 대한 힌트를 주면서 심화된 원리가 더 발견되기를 기다리고 있다”고 말했다.