가열의 법칙을 깨뜨리는 양자역학적 발견

끊임없이 충격을 받고 강하게 상호작용함에도 불구하고, 원자들은 더 이상 에너지를 흡수하지 않습니다. 시스템은 운동량 공간에서 국소화되고, 운동량 분포는 말 그대로 고정되는데, 이는 다체 동역학적 국소화(MBDL)라고 불리는 놀라운 현상입니다. (사진 제공: 인스브루크 대학교)

일상생활에서 반복적으로 힘을 가하면 거의 항상 열이 발생합니다. 손을 비비면 피부가 따뜻해지고, 망치로 금속을 치면 만졌을 때 뜨거워집니다. 정식으로 물리학을 배우지 않았더라도 사람들은 어떤 시스템에 지속적으로 힘을 가하거나, 누르거나, 두드리면 온도가 상승한다는 기본적인 법칙을 금방 알 수 있습니다.

물리학자들은 훨씬 더 작은 규모에서도 동일한 현상이 나타날 것으로 예상합니다. 상호작용하는 수많은 입자로 구성된 양자 시스템에서는 지속적인 여기(excitation)가 꾸준한 에너지 흡수를 유발한다고 일반적으로 가정합니다. 에너지가 축적됨에 따라 시스템은 가열되어야 합니다. 그러나 최근 실험 결과는 이러한 직관이 양자 수준에서는 항상 적용되는 것은 아니라는 점을 시사합니다.

인스브루크 대학교 실험물리학과 한스 크리스토프 네게를 연구팀은 강하게 구동되는 양자 시스템이 필연적으로 온도가 상승하는지 여부를 확인하기 위해 연구를 진행했습니다. 그 결과는 예상치 못한 것이었습니다.

에너지를 흡수하지 않는 양자 기체

연구팀은 절대 영도보다 불과 몇 나노켈빈 높은 온도로 냉각된, 강하게 상호작용하는 원자들로 이루어진 1차원 양자 유체를 만들었습니다. 레이저 빛을 이용하여 원자들에 격자 전위를 가했는데, 이 전위는 빠르게 그리고 반복적으로 켜지고 꺼졌습니다. 이러한 설정을 통해 원자들을 지속적으로 자극하는 규칙적인 펄스 환경이 조성되었습니다.

이러한 조건에서 원자들은 마치 누군가가 트램폴린에서 계속 점프할 때 운동량이 증가하는 것처럼 에너지를 지속적으로 흡수했어야 합니다. 그러나 연구진은 놀라운 변화를 목격했습니다. 짧은 초기 증가 후, 원자들의 운동량 확산이 멈춘 것입니다. 시스템의 운동 에너지는 증가를 멈추고 일정 수준으로 유지되었습니다.

원자들은 여전히 ​​움직이고 서로 강하게 상호작용했지만, 더 이상 에너지를 흡수하지 않았습니다. 시스템은 다체 동역학적 국소화(MBDL)라는 상태에 진입했습니다. 이 상태에서는 운동량이 자유롭게 퍼져나가는 대신 운동량 공간에 고정됩니다.

"이 상태에서는 양자 결맞음과 다체 얽힘으로 인해 시스템이 열평형 상태에 도달하거나 지속적인 외부 자극에도 확산적 거동을 보이지 않습니다."라고 한스 크리스토프 네게를은 설명합니다. "운동량 분포는 본질적으로 고정되어 기존 구조를 그대로 유지합니다."

예상을 뒤엎은 질서정연한 결과

그 결과는 관련 과학자들조차 놀라게 했다. 주저자인 옌량 궈는 그 행동이 자신들의 예측과 정반대였다고 인정했다. "우리는 처음에 원자들이 사방으로 흩날릴 거라고 예상했었습니다. 하지만 오히려 놀라울 정도로 질서정연하게 움직였습니다."

중국 항저우 저장대학교의 이론 공동 연구자인 레이 잉은 다음과 같은 반응을 보였습니다. "이것은 우리의 순진한 예상과는 다릅니다. 놀라운 점은 강하게 구동되고 강하게 상호 작용하는 시스템에서 다체 결맞음이 에너지 흡수를 확실히 막을 수 있다는 사실입니다. 이는 우리의 고전적 직관에 반하며 양자 역학에 뿌리를 둔 놀라운 안정성을 보여줍니다."

잉은 또한 고전적인 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 현상을 재현하는 것은 매우 어렵다고 지적했습니다. "그렇기 때문에 실험이 필요한 것입니다. 실험은 이론 시뮬레이션과 밀접하게 연관되어 있습니다."

양자 결맞음이 중요한 이유

연구진은 이 특이한 상태가 얼마나 안정적인지 확인하기 위해 주행 순서에 무작위성을 추가하여 실험을 변경했습니다. 그 효과는 즉각적이었습니다. 아주 작은 무질서만으로도 위치 파악 능력이 파괴되었습니다.

양자 결맞음이 깨지자 원자들은 더욱 일반적인 행동을 보였습니다. 운동량이 다시 퍼져나가고 운동 에너지가 급격히 증가했으며, 시스템은 무한히 에너지를 흡수하기 시작했습니다. 네게를 교수는 "이 실험은 이러한 구동 다체 시스템에서 열평형을 방지하는 데 양자 결맞음이 매우 중요하다는 점을 강조했다"고 말했습니다.

미래 양자 기술에 대한 시사점

MBDL의 발견은 기초 물리학을 훨씬 뛰어넘는 의미를 지닙니다. 원치 않는 발열을 방지하는 것은 양자 시뮬레이터와 양자 컴퓨터 개발에 있어 가장 큰 과제 중 하나입니다. 이러한 장치들은 에너지 축적과 결맞음 상실로 인해 쉽게 손실될 수 있는 미묘한 양자 상태를 유지하는 데 의존합니다.

궈 교수는 "이 실험은 양자 시스템이 혼돈의 영향에 어떻게 저항할 수 있는지를 탐구하는 정밀하고 조절 가능한 방법을 제공한다"고 말했습니다. 적절한 조건에서 발열을 완전히 멈출 수 있음을 보여줌으로써, 이번 연구 결과는 양자 물질의 거동에 대한 기존의 가정에 도전장을 던집니다.

이번 연구는 양자 시스템이 평형 상태에서 크게 벗어난 상황에서도 어떻게 안정성을 유지할 수 있는지 이해하는 데 새로운 길을 열어줍니다.

해당 연구는 과학 저널 '사이언스'에 게재되었으며, 오스트리아 과학기금(FWF), 오스트리아 연구진흥청(FFG), 유럽연합 등으로부터 재정 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260107225539.htm