물리학자들이 현실의 법칙을 깨뜨리는 양자 입자를 발견했습니다.

과학자들이 우주의 오랜 보손-페르미온 법칙을 깨뜨리는 새로운 종류의 조절 가능한 양자 입자를 발견했을지도 모릅니다. (사진 제공: AI/ScienceDaily.com)

물리학자들은 전통적으로 3차원 우주에 존재하는 모든 기본 입자를 보손과 페르미온, 두 가지 범주로 분류해 왔습니다. 보손은 주로 광자처럼 힘을 전달하는 입자들을 포함하며, 페르미온은 전자, 양성자, 중성자 등 일반적인 물질을 구성하는 입자들입니다.

이러한 단순한 분류는 차원이 낮아질수록 무너지기 시작합니다. 1970년대부터 과학자들은 보손과 페르미온의 중간쯤에 위치하는 애니온이라는 세 번째 유형의 입자가 존재할 것이라고 예측해 왔습니다. 2020년, 연구진은 과냉각되고 강하게 자기화된, 원자 한 층 두께(즉, 2차원)의 반도체 경계면에서 이 특이한 입자를 실험적으로 관측했습니다.

오키나와 과학기술대학(OIST)과 오클라호마 대학교의 과학자들이 이 아이디어를 한 단계 더 발전시켰습니다. Physical Review A 에 발표된 두 편의 논문에서 연구팀은 애니온을 생성할 수 있는 1차원 시스템을 발견하고 이 입자들의 이론적 거동을 연구했습니다.

극저온 원자 시스템 내부의 개별 입자를 제어하는 ​​최근의 발전은 이러한 아이디어를 실제 실험실 실험에서 검증할 수 있도록 해줄 수도 있습니다.

"우리 우주의 모든 입자는 보손 입자와 페르미온 입자, 이 두 가지 범주에 엄격하게 들어맞는 것처럼 보입니다. 왜 다른 범주는 없을까요?" OIST 양자 시스템 연구소의 토마스 부쉬 교수는 질문합니다. "이번 연구를 통해 우리는 양자 세계의 근본적인 속성을 더 잘 이해할 수 있는 길을 열었으며, 앞으로 이론 및 실험 물리학이 우리를 어디로 이끌지 매우 기대됩니다."

양자 입자가 두 그룹으로 나뉘는 이유는 무엇일까요?

보손과 페르미온의 구분은 두 개의 동일한 입자가 서로 자리를 바꿀 때 일어나는 현상에서 비롯됩니다. 3차원 공간에서 실험 결과는 오직 두 가지뿐입니다. 하나는 시스템이 변화 없이 그대로 유지되는 것(보손의 경우)이고, 다른 하나는 시스템의 전하 부호가 바뀌는 것(페르미온의 경우)입니다. 그 외의 다른 가능성은 없는 것으로 보입니다.

이러한 행동은 양자 물리학의 가장 중요한 원리 중 하나인 구별 불가능성과 관련이 있습니다. 일상생활에서 두 개의 동일한 물체라도 구별할 수 있습니다. 예를 들어 두 개의 구슬에 서로 다른 색을 칠했다면 어느 구슬이 어디로 움직였는지 추적할 수 있습니다. 하지만 양자 입자는 그렇게 작동하지 않습니다.

전자와 같이 양자적 성질이 모두 동일한 두 입자는 개별적으로 식별할 수 없습니다. 이들을 서로 교환해도 원래 상태와 물리적으로 구별할 수 없는 상태가 되며, 이는 시스템의 측정 가능한 성질이 변하지 않는다는 것을 의미합니다.

OIST 연구실의 박사 과정 학생인 라울 히달고-사코토는 다음과 같이 설명합니다. "이 교환은 아무것도 하지 않는 것과 같기 때문에, 이 사건을 지배하는 수학적 통계인 교환 인자는 간단한 규칙을 따라야 합니다. 즉, 교환 인자의 제곱은 1과 같아야 합니다. 이 규칙을 만족하는 숫자는 +1과 -1 두 가지뿐입니다. 따라서 모든 입자는 교환 인자가 1인 보손이거나, 교환 인자가 -1인 페르미온이어야 합니다."

이 두 입자 계열은 매우 다르게 행동합니다. 보손은 자연적으로 서로 뭉쳐서 집단적으로 행동합니다. 레이저가 한 예인데, 같은 파장(색깔)의 광자들이 동기화되어 움직입니다. 보스-아인슈타인 응축물도 또 다른 예인데, 극저온 원자들이 같은 양자 상태를 차지하고 있습니다.

페르미온은 정반대로 행동합니다. 전자, 양성자, 중성자는 같은 상태를 공유하기를 꺼립니다. 이러한 성질 때문에 주기율표에는 매우 다양한 원소가 존재합니다.

저차원이 양자 법칙을 어떻게 바꾸는가

자연이 3차원 공간에서 두 종류의 입자만 허용한다면, 왜 더 낮은 차원에서는 다른 것이 생성될 수 있을까요?

그 해답은 입자들이 서로 어떻게 움직이는지에 있습니다. 저차원 시스템에서는 입자들이 이동할 수 있는 경로가 더 적습니다. 입자들이 위치를 바꾸면, 그들의 궤적은 시공간을 통해 서로 얽히게 됩니다. 3차원과는 달리, 저차원 시스템에서는 이러한 궤적들을 나중에 간단히 풀어낼 수 없습니다. 결과적으로, 위치가 바뀐 상태는 더 이상 원래 상태와 동일하지 않게 됩니다.

히달고-사코토는 다음과 같이 덧붙입니다. "차원이 낮아지면 이러한 교환은 더 이상 위상적으로 아무것도 하지 않는 것과 동등하지 않습니다. 구별 불가능성의 법칙을 만족시키기 위해서는 경로의 정확한 굴곡에 따라 달라지는 연속적인 범위의 교환 인자가 필요합니다."

이는 교환 인자가 +1이나 -1을 넘어선 값을 가질 수 있는 입자인 애니온의 가능성을 열어줍니다. 다시 말해, 애니온은 순수한 보손도 아니고 순수한 페르미온도 아닙니다.

1차원에서의 조절 가능한 애니온

최근 발표된 연구에서 연구진은 1차원 시스템에서도 보손-페르미온 구분이 여전히 성립하지 않음을 입증했습니다. 또한, 특히 흥미로운 사실은 1차원 시스템에서 교환 인자를 직접 조절할 수 있다는 점입니다.

1차원에서는 입자들이 서로 주위를 움직여 자리를 바꿀 수 없습니다. 대신, 입자들은 서로를 직접 통과해야만 합니다. 연구진에 따르면, 이러한 특징은 고차원과 비교했을 때 입자 교환 방식에 근본적인 변화를 가져옵니다.

연구 결과에 따르면 이러한 시스템의 교환 인자는 입자 간 단거리 상호작용의 강도와 관련이 있습니다. 이는 과학자들이 실험을 통해 교환 통계를 미세 조정할 수 있음을 의미하며, 이를 통해 다양한 새로운 양자 현상을 탐구할 수 있는 가능성이 열립니다.

"우리는 1차원 애니온의 존재 가능성을 확인했을 뿐만 아니라, 애니온의 교환 통계를 파악하는 방법과, 더 나아가 운동량 분포를 통해 애니온의 본질을 관찰하는 방법까지 밝혀냈습니다."라고 부쉬 교수는 요약했습니다. "이러한 관찰에 필요한 실험 장비는 이미 갖춰져 있습니다. 앞으로 이 분야에서 어떤 새로운 발견이 이루어질지, 그리고 그것이 우리 우주의 근본 물리학에 대해 무엇을 알려줄지 매우 기대됩니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260508003131.htm