과학자들은 빛의 섬광으로 물질의 본질을 바꾸었습니다.

물리학자들은 빛을 이용해 물질의 근본적인 본질을 변화시키는 방법을 발견했습니다. 레이저 펄스를 사용하여 결정 내의 작은 자기파인 마그논 쌍을 여기시킴으로써, 연구진은 열이나 희귀 원소 없이도 물질의 자기적 "지문"을 바꿀 수 있었습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

물질을 변형하여 완전히 다른 물질로 변형되는 것처럼 보이게 할 수 있다고 상상해 보세요. 마법 지팡이나 특별한 물약은 필요 없습니다. 오직 빛만 있으면 됩니다. 빛이 물질과 상호 작용하면 자기 상태가 자극되어 집단적인 자기 진동이 발생합니다. 이러한 진동은 테라헤르츠 속도로 정보를 전송하고 저장할 수 있습니다. 이 모든 과정은 실온에서 진행되며 열을 거의 발생시키지 않습니다. 더 좋은 점은 희귀하거나 특이한 물질에 의존하지 않는다는 것입니다. 연구원들은 널리 구할 수 있는 흔한 자연 성장 결정에서 이 효과를 관찰했습니다. 이제 동일한 접근법을 사용하여 양자 효과를 활용한다고 상상해 보세요. 이 현상은 매우 미세하여 일반적으로 절대 영도(약 -270°C) 근처에서만 관찰되지만, 값비싼 냉각 시스템 없이 실온에서 이를 수행할 수 있습니다.

공상과학 소설처럼 들릴지 모르지만, 이 획기적인 발견은 현실입니다. 다비데 보시니가 이끄는 콘스탄츠 대학교 물리학자 팀은 이를 가능하게 하는 실험 기술을 개발했습니다. 레이저 펄스를 사용하여 마그논(스핀파 양자) 쌍을 결맞게 여기시킴으로써, 연구진은 정보 기술과 양자 연구 모두에 영향을 미칠 수 있는 놀라운 효과를 얻었습니다. 이들의 연구 결과는 Science Advances 에 게재되었습니다 .

마그논 기반 기술

더 깊이 들어가기 전에, 마그논이 무엇이고 왜 중요한지 이해하는 것이 도움이 됩니다. 현대 사회는 인공지능과 "사물 인터넷"을 통해 엄청난 양의 데이터를 생성합니다. 현재 우리의 정보 시스템은 이미 그 압력에 시달리고 있으며, 데이터 병목 현상은 기술 발전을 지연시킬 위험이 있습니다.

제안된 해결책 중 하나는 전자 스핀, 더 나아가 여러 스핀이 함께 움직이는 파동을 이용하여 정보를 전달하는 것입니다. 이러한 집단 스핀 진동을 마그논(magnon)이라고 합니다. 마그논은 파동처럼 동작하며 레이저로 조작할 수 있어 테라헤르츠 주파수에서 데이터 전송 및 저장을 가능하게 할 수 있습니다.

그러나 지금까지 과학자들은 빛을 사용하여 마그논을 가장 낮은 주파수로만 여기시킬 수 있었기 때문에 잠재력이 제한적이었습니다. 미래 기술에 마그논을 활용하려면 연구자들은 마그논의 주파수, 진폭, 그리고 수명을 조절할 수 있어야 합니다. 콘스탄츠 연구팀은 이제 바로 이를 위한 방법을 찾아냈습니다. 재료에서 가장 높은 주파수의 자기 공명인 마그논 쌍을 직접 여기시킴으로써, 그들은 강력하고 새로운 제어 방식을 발견했습니다.

엄청난 놀라움

"그 결과는 우리에게 엄청난 놀라움이었습니다. 어떤 이론도 이를 예측하지 못했습니다."라고 다비드 보시니는 말합니다. 이 과정은 효과가 있을 뿐만 아니라 놀라운 효과도 냅니다. 레이저 펄스를 통해 고주파 마그논 쌍을 구동함으로써, 물리학자들은 다른 마그논의 주파수와 진폭, 그리고 결과적으로 재료의 자기적 특성을 비열적인 방식으로 변화시키는 데 성공했습니다. 보시니는 "모든 고체는 전자 전이, 격자 진동, 자기 여기 등 고유한 주파수 집합을 가지고 있습니다. 모든 재료는 고유한 방식으로 공명합니다."라고 설명합니다. 새로운 공정을 통해 영향을 받을 수 있는 것은 바로 이러한 주파수 집합입니다. 보시니는 "이 공정은 재료의 본질, 즉 '재료의 자기적 DNA', 말하자면 '지문'을 변화시킵니다. 사실상 당분간 새로운 특성을 가진 완전히 다른 재료가 된 것입니다."라고 말합니다.

"이 효과는 레이저 여기(여기)로 인한 것이 아닙니다. 원인은 온도가 아니라 빛입니다."라고 보시니는 확언합니다. "열을 사용하지 않고도 재료의 주파수와 특성을 변경할 수 있습니다." 장점은 명확합니다. 이 방법은 향후 데이터 저장 및 테라헤르츠 주파수의 빠른 데이터 전송에 사용될 수 있으며, 열 축적으로 인해 시스템 속도가 저하되지 않습니다.

이 공정의 기반으로는 눈부신 첨단 소재나 희토류가 필요하지 않습니다. 자연적으로 생성된 결정, 즉 철광석 적철석이 필요합니다. 보시니는 "적철석은 널리 분포되어 있습니다. 수 세기 전에 이미 항해용 나침반으로 사용되었습니다."라고 설명합니다. 앞으로 적철석이 양자 연구에도 사용될 가능성이 매우 높습니다. 콘스탄츠 팀의 연구 결과는 이 새로운 방법을 사용하여 연구자들이 실온에서 고에너지 마그논의 광 유도 보스-아인슈타인 응축물을 생성할 수 있음을 시사합니다. 이는 광범위한 냉각 없이 양자 효과를 연구할 수 있는 길을 열어줄 것입니다. 마법처럼 들리지만, 이는 단지 기술과 최첨단 연구의 결과일 뿐입니다.

이 프로젝트는 협동연구센터 SFB 1432 "평형을 넘어선 고전 및 양자 물질의 변동과 비선형성"의 맥락에서 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251024041822.htm