과학자들은 방금 당신이 볼 수 있는 최초의 크리스탈을 만들었습니다.

현미경으로 관찰한 시간 결정의 줄무늬. 출처: Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials

전기가 없지만 바늘과 기어가 영원히 스스로 회전하는 시계를 상상해보세요.

콜로라도 볼더 대학교의 물리학자들은 새로운 연구에서 휴대폰 디스플레이에 사용되는 것과 동일한 물질인 액정을 사용하여 그러한 시계를 만들었습니다. 적어도 인간이 그 아이디어에 가장 근접한 방식입니다. 이 연구팀의 발전은 "시간 결정"의 새로운 사례입니다. 이는 원자나 다른 입자와 같은 조각들이 끊임없이 움직이는 독특한 물질의 상태를 일컫는 말입니다.

연구자들이 시간 결정을 만든 것은 처음은 아니지만, 그들이 만든 것은 인간이 실제로 볼 수 있는 최초의 것으로, 다양한 기술적 응용 분야의 문을 열어줄 수 있습니다.

"이것들은 현미경으로 직접 관찰할 수 있으며, 특수한 조건에서는 맨눈으로도 관찰할 수 있습니다."라고 CU 볼더 물리학과 대학원생이자 이 연구의 주저자인 한칭 자오가 말했습니다.

그와 물리학 교수이자 재생 및 지속 가능 에너지 연구소(RASEI) 연구원인 이반 스말류크는 9월 4일 Nature Materials 저널에 연구 결과를 발표했습니다 .

이 연구에서 연구진은 액정으로 채워진 유리 셀을 설계했습니다. 이 경우, 고체와 액체처럼 약간 거동하는 막대 모양의 분자들이 사용되었습니다. 특별한 상황에서 빛을 비추면 액정은 시간이 지남에 따라 반복되는 패턴을 따라 소용돌이치며 움직이기 시작합니다.

현미경으로 관찰하면 이 액정 샘플은 환각적인 호랑이 줄무늬와 비슷하며, 영원히 회전하는 시계와 비슷하게 몇 시간 동안 계속 움직일 수 있습니다.

"모든 것은 무(無)에서 태어난다." 스말류크가 말했다. "빛을 비추기만 하면, 이 시간 결정체로 이루어진 세상 전체가 드러난다."

자오와 스말류크는 일본 히로시마 대학에 본부를 둔 국제 매듭형 키랄 메타 물질 지속 가능성 연구소(WPI-SKCM2)의 콜로라도 위성의 멤버입니다. 이 연구소는 인공 물질 형태를 만들고 지속 가능성에 기여하는 것을 목표로 하는 국제 연구소입니다.

공간과 시간 속의 결정

시간 결정은 공상과학에서 나온 것처럼 들릴지 모르지만, 다이아몬드나 식탁소금과 같은 자연적으로 발생하는 결정에서 영감을 얻었습니다.

노벨상 수상자 프랭크 윌첵은 2012년에 시간 결정이라는 개념을 처음 제안했습니다. 전통적인 결정은 "공간 결정"이라고 생각해 볼 수 있습니다. 예를 들어 다이아몬드를 구성하는 탄소 원자는 공간 속에서 매우 쪼개지기 어려운 격자 패턴을 형성합니다. 윌첵은 공간이 아닌 시간 속에서만 유사하게 잘 조직된 결정을 만드는 것이 가능할지 궁금해했습니다. 정지 상태에서도 그러한 상태의 원자들은 격자 패턴을 형성하지 않고, 마치 영원히 반복되는 GIF처럼 끝없는 순환을 이루며 움직이거나 변형될 것입니다.

윌체크의 원래 개념은 실현 불가능하다고 판명되었지만, 그 이후 과학자들은 상당히 비슷한 수준의 물질 단계를 만들어냈습니다.

예를 들어 2021년에 물리학자들은 구글의 시커모어 양자 컴퓨터를 사용하여 특별한 원자 네트워크를 만들었습니다. 연구진이 이 원자들에 레이저 빔을 쏘았을 때, 원자는 여러 번 반복되는 요동을 겪었습니다.

춤추는 수정

새로운 연구에서, 자오와 스말류크는 액정으로도 비슷한 성과를 낼 수 있는지 알아보고자 했습니다.

스말류크는 이 분자들을 제대로 꽉 쥐면 서로 뭉쳐서 꼬임을 형성한다고 설명했습니다. 놀랍게도, 이 꼬임은 움직일 수 있고, 심지어 특정 조건에서는 원자처럼 행동할 수도 있습니다.

"이런 꼬임 현상은 쉽게 제거할 수 없어요." 스말류크가 말했다. "꼬임 현상은 마치 입자처럼 움직이며 서로 상호작용을 시작하죠."

이번 연구에서 스말류크와 자오는 염료 분자로 코팅된 두 유리 조각 사이에 액정 용액을 넣었습니다. 이 샘플들은 그 자체로는 대부분 움직이지 않았습니다. 하지만 연구진이 특정 종류의 빛을 비추자 염료 분자의 방향이 바뀌어 액정을 압착했습니다. 이 과정에서 수천 개의 새로운 꼬임이 갑자기 형성되었습니다.

이러한 꼬임 현상은 엄청나게 복잡한 일련의 단계를 거쳐 서로 상호작용하기 시작했습니다. 제인 오스틴 소설 속 무용수들로 가득 찬 방을 생각해 보세요. 두 사람은 헤어지고, 방 안을 빙빙 돌고, 다시 만나고, 이 모든 과정을 반복합니다. 시간 패턴 또한 깨기가 매우 어려웠습니다. 연구진은 액정의 움직임을 방해하지 않고도 샘플의 온도를 높이거나 낮출 수 있었습니다.

"이게 바로 이 시간의 아름다움이지." 스말류크가 말했다. "별로 특별하지 않은 조건들을 만들어내는 것뿐이야. 빛을 비추기만 하면 모든 게 이뤄져."

자오와 스말류크는 이러한 시간 결정체가 여러 용도로 사용될 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 정부는 지폐에 이러한 물질을 첨가하여 위조를 어렵게 만들 수 있습니다. 100달러 지폐가 진짜인지 알고 싶다면 "시간 워터마크"에 빛을 비추고 나타나는 패턴을 관찰하면 됩니다. 연구팀은 여러 개의 서로 다른 시간 결정을 겹쳐 쌓음으로써 더욱 복잡한 패턴을 만들 수 있으며, 이를 통해 엔지니어들은 방대한 양의 디지털 데이터를 저장할 수 있게 될 것입니다.

"지금 당장은 애플리케이션에 제한을 두고 싶지 않습니다."라고 스말류크는 말했다. "이 기술을 다양한 방향으로 발전시킬 수 있는 기회가 있다고 생각합니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250907024555.htm