물리학자들이 처음으로 기괴한 양자 앨리스 고리를 만들어냈습니다.

연구원들은 수천 개의 극저온 원자를 조작하여 이를 통과하는 양자 물체의 특성을 변경할 수 있는 고리 모양의 결함을 만들었습니다.

카르멜라 파다빅-칼라한(Karmela Padavic-Callaghan)

2023년 8월 29일

최초로 관찰된 앨리스 반지의 예술적인 일러스트

헤이카 발야(Heikka Valja)/알토 대학교

물리학자들은 속담의 거울을 통해 들여다보았는데, 반대편의 원자는 반대의 세계에 속해 있습니다. 처음으로 연구자들은 앨리스 링(Alice ring)이라는 이국적인 양자 물체를 만들었습니다. 이 물체는 다른 양자 물체가 통과할 때 또는 단순히 그것을 통해 볼 때 다른 양자 물체의 특성을 변경합니다.

매우 차가운 원자 집합이나 우주 전체와 같은 양자 시스템은 이론적으로 위상 결함이라고 불리는 이상한 물체를 포함해야 합니다. 일부는 긴 끈과 같고 일부는 여전히 더 이상합니다. 자기장과 같은 것이 수학적으로 설명할 수 없는 중심에 있는 0차원 점입니다.

이러한 결함은 생성 및 관찰이 어렵습니다. 그러나 핀란드 알토 대학교(Aalto University)의 Mikko Möttönen과 그의 동료들은 빠르게 다른 것으로 변환되는 위상적 결함을 생성하는 방법을 연구했습니다.

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이를 위해 그들은 먼저 공기가 없는 작은 챔버에 250,000개의 루비듐 원자를 넣은 다음 레이저로 충돌하여 자연스러운 움직임을 늦추고 온도가 절대 0에 가까운 온도로 밀어냈습니다. 이러한 조건에서 모든 원자는 하나의 큰 양자 물체처럼 행동했습니다. 스핀이라는 양자 특성 때문에 그 물체는 자기장에 민감했습니다.

Möttönen은 팀이 컴퓨터 시뮬레이션과 수학적 모델을 사용하여 위상 결함이 나타날 때까지 원자를 비틀기 위해 자기장의 방향과 강도를 패턴화하는 방법을 결정했다고 말했습니다. 이 접근법은 이전에 단극(단극을 가진 자석과 유사한 입자)이라는 결함을 생성하는 데 사용되었습니다.

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이제 연구자들은 단극의 운명도 관찰했습니다. 몇 밀리초 후에 그들이 만든 각 단극은 매우 이상한 특성을 지닌 앨리스 고리로 확장되었습니다.

“이 앨리스 반지에는 특이한 점이 있어요. 근처에 있는 모노폴을 고리를 통해 보느냐, 아니면 고리 옆에서 보느냐에 따라 전하량이 다르게 보입니다. 따라서 고리는 여러분이 보고 있는 물체의 전하를 반전시키는 것입니다.”라고 Möttönen은 말합니다. 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 단극의 전하가 앨리스 고리를 통과하면 양극에서 음극으로 완전히 반전되는 것으로 나타났습니다.

Möttönen과 그의 동료들은 이전에 이 방법을 사용하여 매듭 모양 구조와 스커미온(skyrmions)이라는 특수 소용돌이를 포함하여 초저온 원자에 위상 결함을 생성했습니다. 그들이 주목하고 있는 다음 과제는 모노폴과 앨리스 링을 만드는 것뿐만 아니라 하나가 다른 하나를 통과하여 거울과 같은 기능을 직접 테스트하는 것이라고 그는 말합니다.

영국 랭커스터 대학교의 Janne Ruostekoski는 연구진이 개발한 방법이 독특하며 추상적인 수학 정리를 시각화하는 것도 가능하다고 말했습니다. 예를 들어, 과학자들은 위상 결함 주위의 필드 질감을 결정하는 소위 "털이 많은 공 정리"를 조사할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다.

이는 “이전에 실험적 증거가 없었던” 우주론이나 고에너지 물리학의 이론을 조사할 수 있는 “전례 없는 기회”를 열어준다고 그는 말했습니다.

저널 참고자료:

네이처 커뮤니케이션스 DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2