양자화 하는 물질의 거시적 양자 상태

과학자들은 레이저를 사용하여 유리 나노 입자를 부유시키고 또한 양자 구역에 냉각시킵니다. 비록 실온 환경에 갇혀 있지만 입자의 움직임은 양자 물리 법칙의 지배를 받습니다. 비엔나 대학, 오스트리아 과학 아카데미 및 매사추세츠 공과 대학 (MIT)의 과학자 팀이 새로운 연구 결과를 Science 저널에 발표했습니다. 우리 모두 알다시피 개별 원자의 양자 특성은 레이저로 제어 및 조작할 수 있습니다. 비록 수억 개의 원자로 구성된 거대한 원자 클라우드 조차도 양자 구역으로 밀어 넣어서 물질의 거시적 양자 상태를 생성할 수 있습니다.  양자 기체 또는 보스-아인슈타인 응집체와 같은 이러한 물질은 오늘날 양자 기술에서도 널리 사용됩니다. 
흥미로운 다음 단계는, 이 레벨의 양자 제어를 고체 물체로 확장하는 것입니다. 원자 클라우드에 비해서 고체의 밀도는 10 억 배 더 높으며 모든 원자는 물체의 질량 중심을 따라 함께 움직입니다. 그러나 이 새로운 양자 구역에 들어가는 것은 단순한 문제가 아닙니다. 이런 양자 제어를 달성하기 위한 첫 번째 단계는 다음과 같습니다. 연구중인 물체를 환경의 영향으로부터 분리합니다. 그리고 모든 열을 제거하고 절대 영도 (섭씨 -273.15도)에 매우 가까운 온도로 냉각함으로써 양자 역학이 입자의 움직임을 지배합니다.
이를 증명하기 위해 연구원들은 모래알 보다 약 1,000 배 작고 수억 개의 원자를 포함하는 유리 나노 입자를 실험하기로 결정했습니다. 환경으로부터의 격리는 고진공 상태에서 이루어집니다. 입자 광학 캡처는 밀집된 레이저 빔에서 실현되는데, 이 기술은 수십 년 전에 노벨상 수상자 Arthur Ashkin이 처음 제안했으며 원자를 분리하는데도 사용되었습니다. 비엔나 대학의 주 저자인 Uros Delic은 다음과 같이 말했습니다. 진짜 도전은 입자 운동을 양자 기저 상태로 냉각시키는 것입니다.  원자 전이를 통한 레이저 냉각을 진행하는 것은 공인된 것 입니다. 원자는 자연스러운 선택이라 할 수 있지만 이것이 고체에는 영향을 미치지 않습니다.
이러한 이유 때문에 연구팀은 일종의 레이저 냉각 방법을 실시하기 위해 노력을 하고 있습니다. 이 방법은 인스브루크 대학의 오스트리아 물리학자인 Helmut Ritsch가 제안했으며 연구 공동 저자인 Vladan Vultic과 노벨상 수상자 Steven Chu가 독자적으로 제안했습니다. 이제 연구팀은 일관된 산란을 통해 공동을 냉각시키는 원리를 첫 번째 데모로 발표했습니다. 그러나 그들은 여전히 양자 영역에서 멀리 떨어진 곳에서 작동하도록 제한되어 있습니다. 연구팀은 실험을 업그레이드했으며 이제 더 많은 배경 가스를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 냉각을 위해 더 많은 광자를 보낼 수 있습니다. 이러한 방식으로 유리 나노 입자의 움직임은 양자 구역으로 직접 냉각될 수 있습니다. 상상을 해보면 매우 흥미롭습니다. 유리 나노 입자의 표면은 섭씨 300도 정도로 매우 뜨겁습니다. 레이저는 물질의 전자를 가열하지만 입자의 질량 중심 이동은 매우 차갑기 때문에 절대 영도까지의 거리는 섭씨 0.00001도 이며 뜨거운 입자가 양자 방식으로 이동한다는 것을 증명할 수 있습니다. 연구원들은 향후 연구의 전망에 대해서 기쁜 마음을 숨길 수 없습니다. 비엔나 대학의 팀과 함께 전 세계의 다른 연구 그룹도 고체의 양자 운동에 대한 연구를 진행했습니다. 지금까지 실험 시스템은 나노 및 마이크로 기계 공명기로 구성되어 있는데, 기본적으로 견고한 지지 구조에 고정된 드럼 또는 스프링 보드입니다. 빈 대학교의 공동 저자이자 조교수인 Nikolai Kiseel은 다음과 같이 말했습니다. 레이저 부상은 더 많은 자유를 제공합니다. 광학 트랩을 변경하거나 끄는 것을 통해서 연구는 완전히 새로운 방식으로 나노 입자 운동을 조작할 수 있습니다. 오스트리아 과학 아카데미의 물리학자인 Oriol Romero-Isart와 인스브루크의 Peter Zoller는 이러한 노선을 따라 몇 가지 방안을 제안했으며, 이는 현재 실현 가능해졌습니다. 예를 들어서, 새로 획득한 운동 기저 상태와 결합하면, 연구원들은 이것이 전례 없는 센서 성능과 양자 열 엔진의 기본 과정 연구이기를 예상합니다. 그리고 거대한 양자 현상과 관련된 연구는 새로운 기회를 열어줄 것입니다. 10년 전 새로운 양자 실험의 비전을 진행하는 상황에서 이 실험을 시작했습니다. 이제 과학자들은 마침내 이 법칙으로 향하는 대문을 열었습니다.