KAIST는 물리학과 최재윤 교수팀이 극저온 중성원자 양자 시뮬레이터를 이용해 이론적으로 추측된 비평형 상태의 양자 물성변화에 대한 보편적 물리법칙을 확인했다고 27일 밝혔다.
네이처 피직스 3월호 표지로 오른 최재윤 교수팀 연구결과. KAIST 보편적 물리법칙은 평형상태에서 액체가 기체로 되는 것처럼 물질의 상이 변화하는 ‘상전이 현상’을 예로 들수 있다.
상전이가 일어나는 지점을 임계지점이라고 하며, 이 지점에서 물성의 변화는 입자의 크기와 밀도 및 상호작용의 세기 등 물리량에 의존하지 않는다.
물에서 관측할 수 있는 액체-기체 상전이 임계점이나 자석에서 관측되는 상자성-강자성 상전이 임계점은 서로 다른 계지만 동일 형태의 물성 변화를 확인할 수 있다.
물질의 상이 변하는 임계지점에서 물성 변화는 입자의 크기, 밀도, 등 계를 구성하는 미시적 물리량에 의존하지 않는데, 이를 ‘상전이점 근처에서 보편 이 존재한다’고 한다.
또 물성 변화가 수학적으로 동일한 함수를 따를 때 ‘같은 보편성 부류에 속한다’라고 한다.
비평형 양자동역학에서 상전이 현상과 같이 보편성 및 보편성 부류가 존재함이 이미 10년 전 제기됐지만, 매우 긴 시간 동안 관측하는 실험적 어려움 때문에 면밀한 검증이 이뤄지지 않았다.
이에 연구팀은 강한 상호작용을 갖는 스피너 응집체를 이용해 자기 도메인들의 비평형 조대화 동역학을 매우 긴 시간 동안 연구했다.
스피너 응집체는 서로 다른 스핀 간 상호작용이 있는 보즈-아인슈타인 응집체로, 이는 모든 원자들이 하나의 파동함수로 기술되는 양자 상태를 일컫는다.
연구팀은 조대화 동역학의 형태가 다양한 초기 상태와 상관없이 동일한 수학적 형태를 따르는 것에서 보편성을 확인했다.
자기 영역(Magnetic Domain)의 조대화 동역학. 붉은색/파란색은 스핀 업/다운을 지칭하며, 시간이 지남에 따라 영역들의 크기가 점점 커지는 것을 볼 수 있다. KAIST 나아가 시스템의 대칭성을 바꿨을 때는 동역학의 수학적 형태가 바뀌는 것을 확인, 보편적 양자 동역학의 분류도 가능함을 입증했다.
최 교수는 “이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터가 비평형 양자동역학에 가설을 검증하는 데 활용된 중요한 사례”라며 “향후 고전 컴퓨터가 흉내 내기 어려운 영역에서 비평형 동역학을 연구해 새로운 물리법칙을 발견하고 싶다”고 말했다.
한편 이번 연구는 KAIST 물리학과 허승정, 권기량, 허준혁 대학원생 연구원이 참여했고, 연구결과는 국제 학술지 `네이처 피직스' 3월에 표지논문으로 선정됐다.
