물리학 실험으로 독특한 양자 영역의 혼돈 패턴 입증

혼돈의 패턴은 어디서 보나요? UC Santa Cruz 물리학자 Jairo Velasco, Jr가 공동으로 이끄는 국제 팀이 믿을 수 없을 정도로 작은 양자 영역에서 이를 입증했습니다. 11월 27일에 발표된 새 논문에서 자연연구자들은 양자 공간에 갇힌 전자가 혼란스러운 궤적을 생성하기보다는 공통 경로를 따라 이동할 것이라는 40년 전에 처음 제시된 이론을 확인하는 실험을 자세히 설명합니다.

전자는 입자 특성과 파동 특성을 모두 나타냅니다. 단순히 공처럼 굴러가는 것이 아닙니다. 전자는 종종 직관에 반하는 방식으로 행동하며, 특정 조건에서 전자의 파동은 전자의 움직임을 특정 패턴으로 집중시키는 방식으로 서로 간섭할 수 있습니다. 물리학자들은 이러한 공통 경로를 "고유한 폐쇄 궤도"라고 부릅니다.

Velasco 연구실에서 이를 달성하려면 고급 이미징 기술과 그래핀 내 전자 거동에 대한 정밀한 제어가 복잡하게 결합되어야 했습니다. 그래핀은 고유한 특성과 2차원 구조로 인해 양자 효과를 관찰하는 데 이상적이기 때문에 연구에 널리 사용되는 재료입니다. 실험에서 Velasco 팀은 먼저 전자 트랩을 생성하기 위해 미세하게 끝이 뾰족한 주사형 터널링 현미경 탐침을 활용한 다음 물리적으로 방해하지 않고 전자 움직임을 감지하기 위해 그래핀 표면 가까이로 맴돌았습니다.

제한된 공간 내에서 닫힌 궤도를 따르는 전자의 이점은 원자 입자가 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때 아원자 입자의 특성이 더 잘 보존된다는 것입니다. 그는 이것이 전자의 특성에 인코딩된 정보가 손실 없이 전송될 수 있는 방법을 설명하면서 일상 전자 제품에 막대한 영향을 미치며 아마도 저전력, 고효율 트랜지스터를 만들 수 있다고 말했습니다.

"이 발견의 가장 유망한 측면 중 하나는 정보 처리에 잠재적으로 사용될 수 있다는 것"이라고 Velasco는 말했습니다. "이러한 궤도를 약간 교란시키거나 '너지'함으로써 전자는 장치의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 정보를 전달하면서 예상대로 이동할 수 있습니다."

양자 흉터가 흔적을 남긴다

물리학에서는 이러한 독특한 전자 궤도를 "양자 흉터"라고 합니다. 이는 1984년 하버드 대학교 물리학자 Eric Heller의 이론적 연구에서 처음 설명되었습니다. 그는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 제한된 전자가 서로 간섭하는 파동 운동에 의해 강화되면 고밀도 궤도를 따라 이동할 것이라는 사실을 밝혔습니다.

"양자 흉터는 호기심이 아닙니다. 오히려 그것은 이상한 양자 세계를 보여주는 창입니다"라고 논문의 공동 저자인 Heller는 말했습니다. "상처는 스스로 되돌아오는 궤도 주위의 국지화입니다. 이러한 복귀는 일반적인 고전 세계에서는 장기적인 결과가 없습니다. 곧 잊혀지지만 양자 세계에서는 영원히 기억됩니다."

Heller의 이론이 입증됨에 따라 연구자들은 이제 잠재적인 응용을 탐색하는 데 필요한 경험적 기반을 갖게 되었습니다. 이미 나노전자 규모에 있는 오늘날의 트랜지스터는 양자 흉터 기반 설계를 통합하여 처리 능력을 높이기 위해 조밀하게 포장된 트랜지스터에 의존하는 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿과 같은 장치를 향상함으로써 훨씬 더 효율적이 될 수 있습니다.

"향후 연구를 위해 우리는 양자 흉터의 시각화를 기반으로 흉터 상태를 활용하고 조작하는 방법을 개발할 계획입니다"라고 Velasco는 말했습니다. "혼란스러운 양자 현상을 활용하면 나노 규모에서 전자를 선택적이고 유연하게 전달할 수 있는 새로운 방법이 가능해지며, 따라서 양자 제어의 새로운 모드를 혁신할 수 있습니다."

고전적 혼돈 대 양자 혼돈

Velasco 팀은 선형 시스템과 혼돈 시스템의 고전 역학을 설명하기 위해 종종 "당구"라고 불리는 시각적 모델을 사용합니다. 당구는 내부의 입자가 어떻게 움직이는지를 드러내는 경계 영역으로, 물리학에서 흔히 사용되는 모양을 '스타디움'이라고 하는데, 끝이 곡선이고 가장자리가 직선입니다. 고전적인 혼돈에서는 입자가 무작위로 예측할 수 없게 튕겨져 결국 전체 표면을 덮게 됩니다.

이 실험에서 팀은 길이가 약 400나노미터인 원자처럼 얇은 그래핀으로 경기장 당구대를 만들었습니다. 그런 다음 주사 터널링 현미경을 사용하여 실제 양자 혼돈을 관찰할 수 있었습니다. 마침내 Velasco 연구실에서 만든 경기장 당구장 내 전자 궤도 패턴을 자신의 눈으로 볼 수 있었습니다.

이 연구가 완료될 당시 UC Santa Cruz 대학원생이자 공동 교신 저자인 Zhehao Ge는 "실제 양자 시스템에서 양자 흉터를 성공적으로 이미지화하게 되어 매우 기쁩니다."라고 말했습니다. "이러한 연구가 혼돈 양자 시스템에 대한 더 깊은 이해를 얻는 데 도움이 되기를 바랍니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241202123326.htm