과학자들은 한때 불가능하다고 생각했던 이국적인 양자 위상을 관찰합니다.

라이스 대학교 연구진은 반세기 전에 예측된 놀라운 양자 현상을 처음으로 직접 관찰했다고 보고했으며, 양자 컴퓨팅, 통신 및 감지 분야에서 혁명적인 응용 분야를 위한 길을 열었습니다.

초방사상전이(SRPT)로 알려진 이 현상은 두 그룹의 양자 입자가 외부 자극 없이 조화롭고 집단적으로 요동하기 시작하여 새로운 물질 상태를 형성할 때 발생합니다. 이 발견은 에르븀, 철, 산소로 구성된 결정을 영하 457도(섭씨 영하 200도)로 냉각하고 최대 7테슬라(지구 자기장의 10만 배 이상)의 강력한 자기장에 노출시킨 결과입니다. 이는 Science Advances 에 게재된 연구에 따르면, "원래 SRPT는 양자 진공 요동(완전히 빈 공간에서도 자연적으로 존재하는 양자 빛장)과 물질 요동 사이의 상호작용에서 발생하는 것으로 제안되었습니다."라고 이 연구의 주저자인 라이스 대학교 응용물리학 대학원 박사과정 학생 김다솜은 말했습니다. "하지만 저희 연구에서는 결정 내 철 이온과 에르븀 이온의 스핀 요동이라는 두 가지 별개의 자기 하위 시스템을 결합하여 이러한 전이를 실현했습니다."

스핀은 전자나 다른 입자의 자기 극을 나타내며, 각 입자에 부착된 작은 화살표가 끊임없이 회전하며 특정 방향을 가리키는 것으로 볼 수 있습니다. 스핀이 정렬되면 물질 전체에 자기 패턴을 생성합니다. 스핀 패턴이 파동처럼 물질 전체에 퍼져 나갈 때 발생하는 집단 여기 현상을 마그논(magnon)이라고 합니다.

지금까지 SRPT가 실제로 발생할 수 있는지 여부는 이론 물리학에서 "노고 정리(no-go theorem)"라고 불리는 빛 기반 시스템에서 발생하는 한계에 부딪히기 때문에 논쟁의 여지가 있었습니다.

연구진은 두 스핀 하위 시스템 간의 상호작용을 기반으로 자성 결정에 SRPT를 배치함으로써 이러한 장벽을 극복하고 이 현상의 마그논 버전을 만들어냈습니다. 구체적으로, 철 이온의 마그논은 전통적으로 진공 변동에 기인하는 역할을 하고, 에르븀 이온의 스핀은 물질 변동을 나타냅니다.

연구진은 첨단 분광 기술을 사용하여 SRPT의 명확한 특징을 관찰했습니다. 한 스핀 모드의 에너지 신호는 사라지고 다른 스핀 모드는 뚜렷한 변화 또는 꼬임 현상을 보였습니다. 이러한 스펙트럼 지문은 초방사상 상태로의 진입에 대한 이론 예측과 정확히 일치하여, 연구진은 오랫동안 추구해 온 이 상태를 실제로 만들어냈다는 높은 확신을 갖게 되었습니다.

김 박사는 "우리는 이 두 스핀 시스템 사이에 초강력 결합을 확립했고, 이전의 실험적 제약을 극복하여 SRPT를 성공적으로 관찰했습니다."라고 말했습니다.

연구자들은 50년 된 물리학 예측이 확인되었을 뿐만 아니라, 이것이 양자 기술에 미칠 수 있는 영향 때문에 흥분하고 있습니다. SRPT의 집단 양자 상태는 차세대 양자 기술에 활용될 수 있는 고유한 특성을 가지고 있습니다.

"이 전이의 양자 임계점 근처에서 이 시스템은 양자 압축 상태를 자연스럽게 안정화시켜 양자 잡음이 크게 감소하고 측정 정밀도를 크게 향상시킵니다."라고 김 박사는 말했습니다. "전반적으로 이러한 통찰력은 양자 센서와 컴퓨팅 기술에 혁명을 일으켜 정확도, 감도, 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다."

라이스 대학의 대학원생인 소하일 다스굽타는 물리학 및 천문학과 조교수인 카덴 해저드와 함께 연구하며, 요코하마 국립 대학의 교수이자 공동 저자인 모토아키 밤바가 개발한 모델을 기반으로 SRPT를 이론적으로 모델링했습니다.

"기본적인 수학적 모델은 모토아키가 이미 제시했지만, 정확한 결과를 얻으려면 재료의 특정 자기적 특성 중 일부를 고려해야 했습니다. 이론이 실험 데이터와 일치할 때(이는 매우 드문 일이지만) 과학자에게는 최고의 기쁨입니다."라고 다스굽타는 말했습니다.

하자드는 이번 성과가 양자 광학의 개념이 고체 물질로 변환될 수 있음을 보여준다고 말했습니다.

해저드는 "이것은 공동 양자 전기역학의 아이디어를 사용하여 물질의 위상을 만들고 제어하는 ​​새로운 방법을 열어줍니다."라고 말했습니다.

게다가 이 연구에 사용된 결정은 더 광범위한 종류의 재료 중 하나이며, 이는 이 연구가 유사하게 상호 작용하는 자기 구성 요소를 가진 다른 재료에서 양자 현상을 탐구할 수 있는 길을 열었다는 것을 의미합니다.

"두 개의 내부 물질 변동을 결합하여 구동되는 SRPT 형태를 보여준 것은 양자 물리학에 있어 중요한 혁신으로, 물질 내부의 본질적인 양자 상호작용을 이해하고 활용할 수 있는 새로운 틀을 마련했습니다."라고 칼 F. 하셀만 공학 교수이자 전기 및 컴퓨터 공학, 재료 과학 및 나노 공학 교수이자 본 연구의 교신 저자인 코노 준이치로가 말했습니다.

본 연구는 미국 육군 연구실(W911NF2110157), 고든 & 베티 무어 재단(11520), 로버트 A. 웰치 재단(C-1509), WM 케크 재단(995764), 도호쿠대학교 글로벌 재료 연구소, 일본 과학 재단(PHY-1848304), 일본 과학 진흥회(JPJSJRP20221202, JP24K21526), ​​광과학기술 연구 재단, 미국 에너지부(DE-AC02-07CH11358), 그리고 중국 국가 과학 재단(12374116)의 지원을 받았습니다. 본 연구의 내용은 전적으로 저자의 책임이며, 연구 지원 기관의 공식 견해를 반영하는 것은 아닙니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250411175446.htm