물리학자들, '분수 페르미 바다' 창조—평범한 페르미 바다는 분명 너무 지루했던 모양

물리학자들이 또 해냈다. 종이 위에서는 완벽하게 말이 되지만 일반인의 뇌에서는 전혀 말이 안 되는 새로운 양자 상태를 발견한 것이다. Physical Review Letters에 발표된 연구에서, CNRS와 파리 도핀 대학의 이론 물리학자 알비제 바스티아넬로와 함께 일한 한스-크리스토프 네겔이 이끄는 연구진은 '분수 페르미 바다'로 알려진 이국적인 양자 상태를 설계하는 방법을 설명했다. 이름만 들으면 해산물 특선 메뉴에서 퇴짜 맞은 것 같지만, 물리학은 진짜로 이상하다.

이번 돌파구는 초저온 세슘 원자들이 서로 끌어당기거나 밀어내는 강도를 반복적으로 바꿔 정상 조건을 훨씬 뛰어넘도록 밀어붙이는 데서 나왔다. 반복적인 스트레스를 받으면 대부분의 우리처럼 그냥 무질서해지는 대신, 입자들은 과학자들이 전통적으로 연구해온 양자 시스템과는 다르게 행동하는 특이한 배열로 재편성된다. 이 이론적 발견은 실험물리학과의 네겔 팀이 수행한 최근 실험 연구의 토대를 제공한다.

일반적인 조건에서 양자 입자들은 특히 극저온에서 자신을 배열하는 방식을 결정하는 잘 확립된 규칙을 따른다. 중요한 예로 전자를 포함하는 입자 범주인 페르미온이 있다. 이 입자들은 모두 같은 양자 상태를 차지할 수 없으므로 특정 제한에 따라 사용 가능한 에너지 준위를 채운다. 매우 낮은 온도에서 이 배열은 물리학자들이 페르미 바다라고 부르는 것을 만들어낸다. 질서 정연하고 예측 가능하며—솔직히 말하면—약간 따분하다.

하지만 연구자들이 일반적으로 입자의 행동을 지배하는 조건을 의도적으로 교란하면 어떻게 될까? 알비제 바스티아넬로가 설명한다: "예를 들어 페르미온은 사용 가능한 에너지 상태에 깔끔하게 쌓여 소위 '페르미 바다'를 형성합니다. 하지만 상호작용하는 원자들이 극한 조건을 연속적으로 순환하도록 강제되어 강한 반발에서 강한 인력으로 부드럽게 이동하면 어떻게 될까요?" 이것은 아주 작고 아주 혼란스러운 전구의 스위치를 계속 켜고 끄면 어떻게 되는지 묻는 것의 양자적 등가물이다.

이 가능성을 조사하기 위해 연구자들은 1차원 시스템에 갇힌 초저온 세슘 원자를 연구했다. 이는 원자들이 단일 방향으로만 움직이도록 제한되어 양자 상호작용을 탁월한 제어로 연구할 수 있는 환경을 만든다는 뜻이다. 팀은 이 원자들 사이의 상호작용이 반복적으로 조정되어 강한 반발과 인력 사이를 순환할 때 어떤 일이 일어나는지 조사했다.

그들의 계산은 예상치 못한 것을 드러냈다. 시스템이 사용할 수 있는 가장 낮은 에너지 배열인 바닥 상태에서 시작하여, 원자들은 근본적인 조직을 잃지 않고 높은 들뜬 상태로 몰릴 수 있었다. 연구자들은 이 특이한 배열을 분수 페르미 바다라고 부르는데, 그 입자들이 양자 상태가 점유되는 방식을 지배하는 수정된 규칙을 따르는 것처럼 보이기 때문이다.

"시스템을 단순히 가열하는 대신, 상호작용 주기는 원자들을 새로운 다체 상태로 재편성합니다,"라고 이 연구의 주저자인 이 씽은 말한다. "이것은 우리에게 일반적인 평형 패러다임을 넘어 양자 물질을 탐구할 수 있는 통제된 방법을 제공합니다." 다시 말해, 그들은 양자 에치 어 스케치를 흔들어 엉망진창 대신 걸작을 얻었다.

분수 페르미 바다의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 시스템이 평형에서 멀리 밀려났음에도 불구하고 입자들이 조직을 유지한다는 점이다. 물리학에서 평형은 시스템의 전반적인 속성이 안정적인 균형으로 자리 잡은 상태를 설명한다. 평형에서 멀리 떨어진 시스템은 복잡하고 예상치 못한 방식으로 행동할 수 있어 이해하기 특히 어렵다. 그러나 분수 페르미 바다는 무작위로 행동하는 들뜬 입자들의 단순한 집합이 아니다. 대신, 그것은 더 깊은 것을 드러내는 독특한 수학적 패턴을 포함한다.