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양자 비평형 현상의 물리적 법칙은
비평형 현상이란, 평형에서 벗어난 상태를 지칭하는 것으로 우리가 일상적으로 자주 마주하는 현상이다. 커피에 우유를 넣고 섞게 되면 우유 분자들은 에스프레소와 섞이면서 카페라테가 되는데, 이렇게 평형을 찾아가는 과정을 비평형 동역학이라고 볼 수 있다. 물리학에서 답하고자 하는 주요한 질문은 ‘양자 역학계에서 일어나는 비평형 현상은 어떤 물리 법칙에 의해 지배되며, 과연 보편적으로 적용할 수 있는 법칙이 존재할지’ 여부다.
우리 대학 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 극저온 중성원자 양자 시뮬레이터를 이용해 이론적으로 추측된 비평형 상태의 양자 물성 변화의 보편적 물리 법칙을 확인하는데 성공했다고 27일 밝혔다.
보편적 물리 법칙에 대한 예는 평형상태에서 액체에서 기체가 되는 것처럼 물질의 상이 변화하는 ‘상전이 현상’에서 찾아볼 수 있다. 상전이 일어나는 지점을 임계지점이라고 하는데, 이 지점에 물성의 변화는 입자들의 크기, 밀도, 및 상호작용의 세기 등 물리량에 의존하지 않는다.
예를 들어, 물에서 관측할 수 있는 액체-기체 상전이 임계점 및 자석에서 관측되는 상자성-강자성 상전이 임계점은, 비록 서로 매우 다른 계이지만, 동일한 형태의 물성 변화를 확인할 수 있다. 즉. 물질의 상이 변화되는 임계지점에서 물성의 변화는 입자들의 크기, 밀도, 등 계를 구성하는 미시적인 물리량에 의존하지 않으며, 이를 가리켜 ‘상전이점 근처에서 보편성(universal) 이 존재한다’라고 할 수 있다. 또한 물성의 변화가 수학적으로 동일한 함수를 따를 때 우리는 ‘같은 보편성 부류에(universality class) 속한다’라고 할 수 있다.
비평형 양자 동역학에서도 ‘상전이’ 현상과 같이 보편성 및 보편성 부류가 존재함이 약 10년 전에 제기됐으나, 매우 긴 시간 동안 관측해야 하는 실험적인 어려움이 있어 이에 대한 검증을 엄밀하게 할 수 없었다.
최재윤 교수 연구팀은 강한 상호작용을 갖는 스피너 응집체*를 이용하여, 자기 도메인들의 비평형 조대화 동역학**을 매우 긴시간 동안 연구하였으며, 이를 통해 해당 가설을 검증하였다. 연구팀은 조대화 동역학의 동역학적 형태가 다양한 초기 상태와는 상관없이 동일한 수학적 형태를 따르는 것을 보여 보편성을 확인하였다. 더 나아가 시스템의 대칭성을 바꾸어 주었을 때만 동역학의 수학적 형태가 바뀌는 것을 확인하여, 보편적인 양자 동역학의 분류도 가능함을 보여주었다.
*스피너 응집체: 서로 다른 스핀들 간의 상호작용이 있는 보즈-아인슈타인 응집체를 말하며, 보즈-아인슈타인 응집체란 모든 원자들이 하나의 파동함수로 기술이 되는 양자 상태임
**조대화 동역학: 초기에 무수히 많은 자기 영역(magnetic domain)들이 서로 합해지면서 영역들의 크기가 커지는 동역학을 지칭함
물리학과 최재윤 교수는 “이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터가 비평형 양자 동역학에 가설을 검증하는 데 활용된 중요한 사례이며, 향후 고전 컴퓨터가 흉내 내기 어려운 영역에서 비평형 동역학을 연구해 새로운 물리 법칙을 발견하고 싶다”고 포부를 밝혔다.
물리학과 허승정, 권기량, 허준혁 대학원생 연구원이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 피직스(Nature Physics)' 3월에 표지로 선정됐다 (논문명: Universality class of a spinor Bose-Einstein condensate far from equilibrium).
한편 이번 연구는 삼성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
2024.03.27 조회수 2939 -
KAIST, POSTECH 공동연구팀 전자의 입자-파동 이중성에 대한 새로운 이론 발표
- 비평형 상태에서의 물질특성 규명에 도움 기대- 미국 물리학회 피지컬 리뷰 포커스 프로그램에 소개
반도체에 형성된 가는 선 모양 구조에서의 전자 움직임을 공동 연구한 KAIST(총장 서남표) 물리학과 심흥선(沈興善, 35) 교수와 대학원생 윤석찬(尹錫燦, 25)씨, 포스텍(총장 백성기) 물리학과 이현우(李鉉雨, 39) 교수팀은 최근 미국 물리학분야 학술지(Physical Review Letters)를 통하여 전자의 입자-파동 이중성에 대한 새로운 이론을 발표했다고 밝혔다.
이 논문의 결과는 전자의 입자-파동 이중성에 대한 많은 학자들의 예상을 벗어난 결과로 거의 동시에 비슷한 결과를 얻은 이스라엘 학자들의 논문과 같이 지난 22일자 미국 물리학회 피지컬 리뷰 포커스(Physical Review Focus)에 소개되었다. 이 프로그램은 미국물리학회에서 출간하는 여러 학술지에 매월 게재되는 천 편 이상의 논문들 중 과학계 전반에 특별 소개가 필요하다고 판단되는 논문을 한 달에 5편 내외를 골라 논문의 내용과 가치를 전문가의 평과 함께 소개하고 있다.
전자와 같은 입자들이 야구공과 같은 입자처럼 행동할 수도 있지만 어떤 경우에 음파나 빛과 같이 파동처럼 행동할 수도 있다는 양자물리학의 입자-파동 이중성 이론이 많은 학자들이 생각했던 것보다 복잡하다는 사실이 이번 공동연구를 통해 밝혀졌다. 입자-파동 이중성은 원자의 성질뿐 아니라 금속이나 반도체와 같은 여러 물질의 특성에 영향을 미치는 중요 요인으로 이 발견은 양자물리학의 효과가 강하게 나타나는 저온에서의 물질 특성들, 특히 비평형 상태에서의 물질 특성을 규명하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
전자들 간에는 서로 밀어내는 강한 전기력이 작용하고 이 전기력을 통해서 각 전자들은 다른 전자들의 위치를 어느 정도 파악할 수 있다. 이제까지 많은 학자들은 전기력이 강해질수록(예를 들어 전자간의 거리가 작아져서) 전자 위치가 더 정확히 파악되고 이로 인해 파동성이 약해지고 입자성이 강해질 것으로 믿어왔다. 그런데 이번 공동논문에 의하면 전기력이 강해질 때 어느 한계까지는 파동성이 점점 약해지지만 전기력의 세기가 이 한계를 넘어서고 나면 파동성이 다시 강해지고, 전기력의 크기가 더 커져 두 번째 한계를 넘고 나면 파동성이 다시 약해지는 형태로, 파동성의 세기가 전기력의 세기에 따라 진동할 수 있다고 한다.
2008.05.29 조회수 16920