공허 속에서 광자가 충돌합니다: 양자 시뮬레이션이 무에서 빛을 창조하다

실험실에서의 광자-광자 산란을 보여주는 그림. 두 개의 녹색 페타와트 레이저 빔이 초점에서 세 번째 적색 빔과 충돌하여 양자 진공을 편광시킵니다. 이를 통해 고유한 방향과 색상을 가진 네 번째 청색 레이저 빔이 생성되어 운동량과 에너지가 보존됩니다. 사진 제공: Zixin (Lily) Zhang.

옥스퍼드 대학이 이끄는 연구팀은 리스본 대학의 Instituto Superior Técnico와 협력하여 고급 계산 모델링을 사용하여 강렬한 레이저 빔이 '양자 진공'을 어떻게 변화시키는지에 대한 최초의 실시간 3차원 시뮬레이션을 달성했습니다. 양자 진공은 한때 비어 있다고 생각되었지만 양자 물리학에서는 가상의 전자-양전자 쌍으로 가득 차 있다고 예측합니다.

기괴한 양자 현상.

해당 연구 결과는 Communications Physics 에 게재되었습니다 .

옥스퍼드 대학이 이끄는 연구팀은 리스본 대학의 Instituto Superior Técnico와 협력하여 고급 계산 모델링을 사용하여 강렬한 레이저 빔이 '양자 진공'을 어떻게 변화시키는지에 대한 최초의 실시간 3차원 시뮬레이션을 달성했습니다. 양자 진공은 한때 비어 있다고 생각되었지만 양자 물리학에서는 가상의 전자-양전자 쌍으로 가득 차 있다고 예측합니다.

흥미롭게도, 이러한 시뮬레이션은 양자 물리학에서 예측하는 기이한 현상인 진공 4파 혼합(vacuum four-wave mixture )을 재현합니다 . 이는 세 개의 집중된 레이저 펄스의 전자기장이 결합되어 진공의 가상 전자-양전자 쌍을 편광시켜 광자들이 당구공처럼 서로 반사되도록 하고, '어둠 속의 빛'이라는 과정을 통해 네 번째 레이저 빔을 생성한다는 것을 의미합니다. 이러한 현상은 매우 높은 강도에서 새로운 물리학의 탐구자로 작용할 수 있습니다.

옥스퍼드 대학교 물리학과 피터 노리스 교수이자 연구 공동 저자는 "이것은 단순한 학문적 호기심이 아니라 지금까지 주로 이론적으로만 존재했던 양자 효과를 실험적으로 확인하기 위한 중요한 진전입니다."라고 말했습니다.

이 연구는 차세대 초강력 레이저가 상용화되기 시작하는 시점에 맞춰 진행되었습니다. 영국의 Vulcan 20-20, 유럽의 '극한광 인프라(ELI)' 프로젝트, 중국의 극한광 연구소(SEL) 및 SHINE 시설과 같은 시설들은 실험실에서 최초로 광자-광자 산란을 확인할 수 있을 만큼 높은 출력을 제공할 예정입니다. 광자-광자 산란은 이미 미국 로체스터 대학교의 OPAL 듀얼 빔 25 PW 레이저 시설에서 세 가지 주력 실험 중 하나로 선정되었습니다.

시뮬레이션은 레이저 빔과 물질 또는 플라즈마 간의 상호 작용을 모델링하는 시뮬레이션 소프트웨어 패키지인 OSIRIS의 고급 버전을 사용하여 수행되었습니다.

옥스퍼드 대학교 물리학과 박사과정생이자 주저자인 지신(릴리) 장은 이렇게 말했습니다. "저희 컴퓨터 프로그램은 이전에는 불가능했던 양자 진공 상호작용에 대한 시간 분해능이 뛰어난 3차원 창을 제공합니다. 저희 모델을 3빔 산란 실험에 적용함으로써, 상호작용 영역과 주요 시간 척도에 대한 상세한 통찰력과 함께 양자 신호의 전체 범위를 포착할 수 있었습니다. 시뮬레이션을 철저히 벤치마킹한 결과, 이제 특이한 레이저 빔 구조와 비행 초점 펄스를 포함한 더욱 복잡하고 탐구적인 시나리오에 집중할 수 있게 되었습니다."

결정적으로, 이러한 모델은 실험자들이 실제 레이저 모양과 펄스 타이밍을 포함한 정밀하고 현실적인 실험을 설계하는 데 필요한 세부 정보를 제공합니다. 또한 시뮬레이션은 이러한 상호작용이 실시간으로 어떻게 진화하는지, 빔 형상의 미묘한 비대칭성이 결과에 어떤 영향을 미치는지 등 새로운 통찰력을 제공합니다.

연구팀에 따르면, 이 도구는 미래의 고에너지 레이저 실험을 계획하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 암흑 물질의 잠재적 후보인 액시온과 밀리차지 입자와 같은 가상 입자의 흔적을 찾는 데도 도움이 될 수 있습니다.

연구 공동 저자인 루이스 실바 교수(리스본 대학교 인스티투토 슈페리어 테크니코, 옥스퍼드 대학교 물리학과 방문 교수)는 다음과 같이 덧붙였습니다. "OSIRIS에 구현된 새로운 계산 방법은 최첨단 레이저 시설에서 계획된 다양한 실험에 큰 도움이 될 것입니다. 초강력 레이저, 최첨단 검출 기술, 최첨단 분석 및 수치 모델링의 조합은 레이저-물질 상호작용의 새로운 시대를 여는 토대가 되며, 이는 기초 물리학의 새로운 지평을 열 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250608072527.htm