상온 양자 혁신으로 냉각 없이 운동 정지

취리히 연방공과대학교 연구진이 레이저 트랩을 사용하여 나노 물체(이미지 중앙)를 포착했습니다. 렌즈로 초점을 맞춘 레이저 빛은 빨간색으로 표시되어 있습니다. 사진 제공: 로렌조 다니아 / 취리히 연방공과대학교

세 개의 나노 유리 구체가 서로 달라붙어 탑 모양의 클러스터를 형성합니다. 마치 아이스크림 세 스쿱을 겹겹이 쌓은 것처럼 말이죠. 다만 크기는 훨씬 작습니다. 나노 클러스터의 지름은 머리카락의 10분의 1에 불과합니다. 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich) 연구진은 광학 장치와 레이저 빔을 이용하여 이러한 물체를 공중에 거의 움직이지 않게 유지하는 데 성공했습니다. 이는 양자 컴퓨터와 더불어 양자 연구의 가장 유망한 응용 분야인 양자 센서의 미래 개발에 중요한 의미를 지닙니다.

광자학 겸임교수인 마틴 프리머가 이끄는 연구진은 공중 부양 실험의 일환으로 유리 구에 작용하는 중력을 제거하는 데 성공했습니다. 그러나 길쭉한 나노 물체는 나침반 바늘이 제자리에 안착할 때 움직이는 것처럼 여전히 진동했습니다. 나노 클러스터의 경우, 진동 운동은 매우 빠르지만 약했습니다. 물체는 초당 약 백만 번 정도 휘어졌고, 각 휘어짐은 수천 분의 몇 도에 불과했습니다. 이 미세한 회전 진동은 모든 물체에서 나타나는 기본적인 양자 운동이며, 물리학자들은 이를 영점 변동(zero-point fluctuation)이라고 부릅니다. 프리머 연구팀의 박사후연구원이자 이 연구의 제1저자인 로렌조 다니아는 "양자역학의 원리에 따르면 어떤 물체도 완벽하게 정지 상태를 유지할 수 없습니다."라고 설명합니다. "물체가 클수록 이러한 영점 변동은 작아지고 관찰하기가 더 어렵습니다."

여러 개의 레코드

지금까지 이 크기의 물체에서 이처럼 미세한 움직임을 ETH 연구진만큼 정확하게 감지하는 데 성공한 사람은 없습니다. 고전 물리학 분야에서 발생하는 모든 움직임을 대부분 제거하고 양자 운동의 관찰을 모호하게 만들었기 때문에 이러한 성과를 달성할 수 있었습니다. ETH 연구진은 실험에서 클러스터 움직임의 92%를 양자 물리학, 8%를 고전 물리학으로 설명했습니다. 따라서 높은 수준의 양자 순도를 의미한다고 합니다. 다니아는 "처음에는 이렇게 높은 수준의 양자 순도를 달성할 것이라고 예상하지 못했습니다."라고 설명합니다.

기록은 여기서 끝나지 않습니다. 연구진은 이 모든 것을 실온에서 달성했습니다. 양자 연구자들은 보통 특수 장비를 사용하여 물체를 절대 영도(섭씨 -273도)에 가까운 온도로 냉각해야 합니다. 하지만 여기서는 그럴 필요가 없었습니다. 프리머는 비유를 듭니다. "마치 기존 트럭보다 더 많은 화물을 운반하면서도 연료 소모량은 더 적은 새로운 차량을 만든 것과 같습니다."

작지만 동시에 거대하다

많은 연구자들이 개별 원자 또는 작은 원자 집단의 양자 효과를 연구하는 반면, 프리머와 그의 연구팀은 비교적 큰 물체를 연구하는 연구자들 중 하나입니다. 그들의 나노구 클러스터는 일상적으로는 매우 작을 수 있지만, 수억 개의 원자로 구성되어 있어 양자 물리학자의 관점에서는 엄청난 규모를 자랑합니다. 이러한 크기의 물체에 대한 관심은 미래의 양자 기술 응용 분야에 대한 기대감에서 비롯된 측면도 있습니다. 이러한 응용 분야는 양자역학의 원리를 이용하여 제어할 수 있는 더 큰 시스템을 필요로 합니다.

연구진은 광학 집게(optical tweezer)를 사용하여 나노 입자를 공중에 띄우는 데 성공했습니다. 이 과정에서 입자는 진공 상태의 투명한 용기에 담겨 있습니다. 렌즈를 사용하여 편광 레이저를 용기 내부의 한 지점에 집중시킵니다. 이 초점에서 입자는 편광 레이저의 전기장과 정렬되어 안정된 상태를 유지합니다.

"완벽한 시작"

프리머는 "우리가 이룬 성과는 향후 응용 분야에 적용될 수 있는 추가 연구를 위한 완벽한 시작입니다."라고 말했습니다. 이러한 응용 분야를 위해서는 먼저 모든 외부 간섭을 성공적으로 억제하고 원하는 방식으로 움직임을 제어할 수 있는 높은 양자 순도를 가진 시스템이 필요하다고 그는 말하며, 이제 이러한 목표가 달성되었다고 덧붙였습니다. 그러면 양자역학적 효과를 감지하고 측정하여 이 시스템을 양자 기술 응용 분야에 활용할 수 있을 것입니다.

가능한 응용 분야로는 물리학의 기초 연구를 통해 중력과 양자역학의 관계를 규명하는 실험을 설계하는 것이 있습니다. 기체 분자나 센서에 작용하는 소립자 등 미세한 힘을 측정하는 센서 개발도 가능합니다. 이는 암흑 물질 탐색에도 유용할 것입니다. 프리머는 "이제 비교적 간단하고 비용 효율적이며 이러한 목적에 적합한 시스템을 갖추게 되었습니다."라고 말했습니다.

항해 및 의학 분야의 응용

먼 미래에는 양자 센서가 의료 영상에도 활용될 수 있을 것입니다. 측정 장비가 주로 배경 잡음을 감지하는 환경에서도 양자 센서가 약한 신호를 감지할 수 있기를 기대합니다. 또 다른 잠재적인 응용 분야로는 GPS 위성과 접촉하지 않더라도 차량 내비게이션을 용이하게 하는 모션 센서가 있습니다.

이러한 응용 분야의 대부분에서 양자 시스템은 소형화되어야 합니다. ETH 연구진에 따르면 이는 이론적으로는 가능합니다. 어쨌든, 그들은 시간, 비용, 그리고 에너지 집약적인 냉각 없이 원하는 제어 가능한 양자 상태를 달성하는 방법을 발견했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810093246.htm