과학자들은 냉각 없이 양자 운동을 동결합니다.

레이저가 유리 입자에 닿는다. 사진 제공: Lorenzo Dania (ETHZ)

양자 물리학의 한계는 무엇일까요? 이는 수십 년 동안 전 세계적으로 연구되어 온 질문입니다. 양자 세계의 특성을 기술적으로 활용하려면 원자와 분자보다 훨씬 큰 물체도 양자 현상을 나타낼 수 있는지 이해해야 합니다.

예를 들어, 지름 100나노미터의 작은 유리 구를 관찰할 수 있습니다. 이는 모래알보다 천 배 이상 작지만, 양자 기준으로는 매우 큽니다. 이러한 구가 어느 정도 양자적 특성을 나타내는지 보여주기 위한 시도가 수년간 이어져 왔습니다. TU Wien(비엔나)의 이론적 지원을 받은 ETH 취리히의 한 연구팀은 이제 획기적인 성과를 달성했습니다. 그들은 이러한 입자의 회전 진동이 복잡한 냉각 방법을 사용하여 절대 영도에 근접하게 냉각되었을 때뿐만 아니라 실온에서도 양자 물리학에 따라 거동한다는 것을 보여주었습니다.

진동 양자: 특정 흔들림만 허용된다

"미세한 입자는 항상 약간씩 흔들립니다."라고 빈 공과대학 이론물리학 연구소의 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 말합니다. "이 진동은 온도와 입자가 주변 환경의 영향을 받는 방식에 따라 달라집니다."

일상생활에서 우리는 어떤 종류의 진동이든 가능하다고 가정합니다. 예를 들어, 시계의 진자는 어떤 각도로든 흔들릴 수 있고, 원하는 대로 조금 더 강하게 또는 조금 더 약하게 진동시킬 수 있습니다. 그러나 양자 세계에서는 상황이 다릅니다. 매우 낮은 에너지의 진동을 살펴보면 매우 특정한 "진동 양자"가 있다는 것을 알 수 있습니다.

"기저 상태"라고 하는 최소 진동과, 약간 더 높은 진동으로 약간 더 많은 에너지를 전달하는 "첫 번째 여기 상태" 등이 있습니다. 그 사이에는 상태가 없지만, 입자는 다양한 진동 상태의 양자 물리적 조합으로 존재할 수 있습니다. 이는 양자 물리학의 핵심 개념 중 하나입니다.

"나노입자를 양자적 특성이 드러나는 상태로 만드는 것은 매우 어렵습니다."라고 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 말합니다. "입자를 최대한 간섭으로부터 분리하기 위해 부유 상태로 두어야 합니다. 그리고 일반적으로 절대 영도(섭씨 영하 273.15도)에 가까운 매우 낮은 온도도 유지해야 합니다."

회전은 정지되고 입자는 뜨거운 상태를 유지한다

취리히 연방 공과대학과 빈 공과대학은 나노입자 자체가 뜨겁고 무질서한 상태에 있더라도 나노입자의 매우 특정한 측면을 양자 물리적 상태로 전환할 수 있는 기술을 개발했습니다.

"완벽하게 둥글지는 않지만 약간 타원형인 나노입자를 사용했습니다."라고 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 설명합니다. "이러한 입자를 전자기장에 두면 회전하기 시작합니다. 우리의 질문은 이 회전 진동의 양자적 특성을 볼 수 있을까? 이 회전 운동에서 에너지를 추출하여 양자 바닥 상태에 거의 도달할 수 있을까?"

이 목적을 위해 레이저 빔과 거울 시스템이 사용되었습니다. "레이저는 나노입자에 에너지를 공급하거나 흡수할 수 있습니다."라고 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 설명합니다. "거울을 적절하게 조정하면 에너지가 높은 확률로 추출되고 낮은 확률로만 추가되도록 할 수 있습니다. 따라서 회전 운동 에너지는 양자 기저 상태에 도달할 때까지 감소합니다."

그러나 이를 달성하기 위해서는 여러 가지 어려운 이론적 문제를 해결해야 했습니다. 즉, 레이저의 양자 잡음을 올바르게 이해하고 제어해야 했습니다.

기록적인 양자 순도

마지막으로, 회전이 양자역학적 기저상태에 거의 전적으로 대응하는 상태로 전환될 수 있음을 실제로 증명했습니다. 놀라운 점은 나노입자가 냉각되지 않았다는 것입니다. 오히려 수백 도의 고온을 유지하고 있습니다.

"각 자유도를 개별적으로 고려해야 합니다."라고 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 설명합니다. "이렇게 하면 나노입자의 내부 열에너지를 동시에 줄이지 않고도 회전 운동 에너지를 매우 효과적으로 줄일 수 있습니다. 놀랍게도 입자 자체가 고온이더라도 회전은 얼어붙을 수 있습니다."

이를 통해 이전에 유사한 입자를 사용했을 때보다 양자 물리학적으로 훨씬 더 '순수한' 상태를 만들 수 있었습니다. 냉각이 필요하지 않았음에도 불구하고 말입니다. 카를로스 곤잘레스-발레스테로는 "이것은 양자 물리학의 경계를 확장하는 기술적으로 놀랍도록 실용적인 방법입니다."라고 말합니다. "이제 우리는 이전에는 거의 불가능했던 안정적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 물체의 양자 특성을 연구할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810093239.htm