시카고대학 연구팀, 네이처 레터스에 게재
물리학자들이 일부는 물질이고 일부는 빛인 혼성 입자를 만들어내는 보다 효과적인 방법을 찾아냈다.
빛의 기본입자인 광자(Photon)는 여러 가지 흥미로운 특징들을 갖고 있다. 이들은 서로 충돌하지 않는다. 그렇다고 해서 물리학자들이 광자 간의 충돌에 관한 연구를 포기한 것은 아니다.
미국 시카고대학(University of Chicago)의 물리학자들이 최근 광자가 물질 입자처럼 움직이도록 하는 새롭고, 매우 유연한 방법을 발견했다고 과학전문매체 사이언스얼러트(Sciencealert)가 보도했다. 이들의 연구는 과학저널 네이처 레터스(Nature Letters) 최근호에 게재됐다.
질량이 없는 빛을 맘대로 움직여 서로 충돌시키는 연구는 환상적인 기술로 이어질 수 있다. 광자들이 서로의 존재를 알게 하는 방법은 이들을 '조용한 원자' 내에서 만나게 해 전자와 결합하는 것이다. '조용한 원자'는 여러 에너지 준위가 뒤섞이지 않고 명확하게 구분되는 준위를 가진 원자를 의미한다.
연구원들은 몇 년간 연구실에서 이런 상호작용에 대해 연구해왔다. 전자-광자의 상호작용은 폴라리톤(polariton)이라 불리는 일종의 혼성 준입자를 생성한다. 폴라리톤은 흔히 '빛과 전자의 두 성질을 가진 준입자'로 불린다.
빛과 같은 특징을 가졌다는 것은 폴라리톤이 공간을 빛처럼 빠르게 통과할 수 있음을 의미한다. 반면, 원자 내 두 입자가 만나는 공간은 그들의 상호작용 방식을 결정한다.
작은 질량의 '광자 같은 입자'는 컴퓨팅과 암호화된 통신에서 큰 잠재성을 지니다. 그래서 물리학자들은 폴라리톤을 더 효과적으로 제어하는 방법을 찾아헤맸다.
시카고대학의 물리학자 로간 클라크(Logan Clark)는 “광자들은 원자 내 전자의 궤도가 특정 에너지 준위에 있을 때만 원자들과 상호작용하기 때문에 제어하는 데에 어려움을 겪었다”고 말했다. 몇 안 되는 에너지의 전자들을 사용하는 것은 타자에서 모음 키보드만을 사용하는 것과 비슷하다. 범용성을 갖기 위해서는 조금 더 많은 상호작용을 하도록 해야 한다.
클라크는 원자의 에너지 준위의 복잡성을 조작할 방법을 생각했다. 클라크는 적당한 흔들림(진동)이 주어졌을 때 전자의 궤도가 여러 개로 복사된다는 양자역학의 기묘한 성질을 이용했다.
클라크는 “우리는 항상 이런 궤도함수의 복사본을 실험의 오차로 취급했다. 그러나 이번에는 일부러 궤도의 복사본들을 만들기 위해 전자를 흔들었다.” 라고 말했다.
양자적 방법으로 입자를 위 아래로 흔드는 데는 플로케 공학(Floquet engineering) 기술이 필수적이다. 플로케 공학은 정확하게 알맞은 시간에 전자기장을 이용해 ‘대강’ 조작하는 것에서부터 시작됐다.
클라크와 그의 팀은 들뜬 상태의 루비듐 원자의 전자들이 떨리도록 가볍게 자극해 원자의 색(진동수) 스펙트럼이 효과적으로 바뀌게 만들었다. 보통 원자들은 원자 내의 스펙트럼 분포가 바뀌지 않는다. 예를 들어 수소는 수소가 이 우주에 어디에 있든 간에 같은 색 스펙트럼을 방출한다. 그리고 이런 스펙트럼 빛을 방출하는 물질이 수소임을 인식하게 해주고, 우주에서 멀리 떨어진 다른 성분들을 분석하는 데도 도움을 준다.
그러나 물리학자들은 루비듐 원자의 궤도를 올바른 방법으로 잡아당김으로서 루비듐의 궤도를 바꿀 수 있었다. 레이저를 올바르게 조율하고 흔들림을 가하면, 흔들림은 각각의 궤도로부터 여러 새로운 에너지 레벨을 만들어 낸다.
그때가 바로 광자들과 여러 준위에서 작동하는 복제 전자의 궤도가 합쳐져서 물리학자들이 '플로케 폴라리톤(Floquet Polariton)'이라고 이름 붙인 준입자의 변형을 창조하는 순간이다. 이 혼성입자들은 전자들과의 상호작용에 의해 약간의 질량을 가지며, 빛의 성질도 가진다.
다른 폴라리톤들과는 다르게, 이 입자들은 단순히 주위의 진동수를 변조함으로서 더 쉽게 조작할 수 있는 공간에 존재한다.
클라크는 “플로케 폴라리톤은 놀라움의 결정체이다. 우리는 여전히 이것을 이해하려고 하고 있다.”라고 전했다. 이어 그는 “그럼에도 우리가 다음에 할 일은 이 충돌하는 광자들을 이용해 위상적인 '액체 빛(fluids of light)'를 만드는 것이다. 엄청 흥분되는 순간이다.” 라고 말했다.
플로케 공학을 다양한 광원으로부터 오는 여러 가지 진동수를 가진 빛에 적용하기 위해 이용하는 것은 양자 기술 발전에 확실하게 도움이 될 것이다. 빛과 물질 간의 상호작용을 이해하는 새로운 방법을 제공하는 것은 말할 나위도 없다. 폴라리톤은 공상과학의 단단한 빛 줄기는 아니지만, 아마 미래를 밝혀줄 수 있을 것이다.
# 기사 출처 : ♠UChicago News, Scientists combine light and matter to make particles with new behaviors
♠Nature, Interacting Floquet polaritons
♠Sciencealert, Physicists Find a New Way to Make Hybrid 'Particles' That Are Part-Matter, Part-Light
<객원기자·서울대 대학원 석사과정(물리학과)>
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