지식보관소_ 최근 실제 실험으로 증명된 양자역학 원리로 물질을 관측 불가능하게 만들기

 

 

얼마 전 MIT 연구팀은

양자역학의 파울리 블라킹을 이용해서

원자가 전자기파를 아예 방출하지 않도록 만들었다고 합니다.

 

 

인간은 많은 감각 기관 중에

특히 시각에 대한 의존도가 높은 동물입니다.

때문에 본능적으로 눈에 보이지 않는 것에 대한 두려움을 가지고 있죠.

그리고 이러한 두려움은

귀신이나 투명인간 같은 영화를 통해서도 나타나게 되죠.

 

그런데 사실 무언가를 본다라는 건

빛 그러니까 전자기파 중에서도 가시광선을 감지하는 것입니다.

때문에 어떤 물체가 있다고 해도

가시광선을 전혀 방출하지 않거나 빛이 없는 공간에서는

그 물체를 볼 수가 없습니다.

 

물체를 투명하게 만드는 방법은 이론적으로는 간단합니다.

물체가 가시광선을 방출하지 않고

지나가는 빛을 그대로 왜곡 없이 통과를 시킨다면

그 물체는 투명합니다.

 

우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 유리도 투명에 가깝지만

지나가는 빛이 조금씩 왜곡되기도 하며

빛의 일부를 반사시키기 때문에

우리는 유리의 존재를 알 수가 있는 것이죠.

 

하지만 완전히 투명한 물체

그러니까 지나가는 빛이 왜곡이 되지도 않고

가시광선을 방출하지도 않게 만들 수가 있다면

산업적 군사적으로 요긴하게 사용될 수가 있습니다.

 

때문에 메타물질이라고 하는

자연계에 존재하지 않는 빛 굴절을 일으켜서

물질을 투명하게 만드는 연구도 진행이 되고 있는 것이죠.

 

원리는 물체 주변을 메타물질로 감싸서

빛이 왜곡 없이 통과되도록 하는 것입니다.

 

그런데 사실 메타물질을 이용해서

눈에 잘 안 보이도록 만들 수 있을지는 모르지만

모든 파장대의 전자기파가

완벽하게 방출이 되지 않는 것은 아닙니다.

 

모든 원자는 원자 스펙트럼에 의해서

자유전자의 에너지 준위가 변할 때

전자기파가 흡수되거나 방출이 되며

이런 자연적인 현상에 의해

원자 단위가 모든 전자기파 영역에서

완벽하게 관측이 안 되는 것은 불가능합니다 라고 생각을 했었습니다.

뭐 지금까지 말이죠.

 

얼마 전 MIT 연구팀은

양자역학의 파울리 블라킹(Pauli blocking)을 이용해서

원자가 전자기파를 아예 방출하지 않도록 만들었다고 합니다.

 

미국 과학협회(AAAS)의 온라인 출판 저널인

유카르트를 통해 게재된 이 논문에 따르면

지금까지 이론상으로만 가능했던 파울리 블라킹을

절대 용도에 가까운 리튬 기체를 통해서 실현했다고 합니다.

 

파울리의 블라킹은

처음 듣는 용어일 수도 있는데

다들 아시는 파울리의 배타원리에 의해서

파생이 되게 된 개념이라고 합니다.

 

파올리의 배타원리에 의해서 전자들은

양자수가 동일한 상태를 허용하지 않으며

이 때문에 원자는 거의 다 100% 빈공간이지만

우리가 벽으로 달려가도 벽을 뚫고서 지나갈 수가 없는 것입니다.

 

이 파울리의 배타원리는

제 이전 영상에도 자주 소개가 되었는데

초신성 폭발을 일으킨 물체가

찬드라세카르 한계를 넘어서는 전자축퇴압이 발생하면

중성자별이 되게 되는데

이때 중심부의 압력이

파울리의 배타 원리를 유지하기 위한 전자축퇴압보다도 커지게 되면

이 배타원리가 유지되지 못해서

전부 핵으로 압축이 돼서 중성자별이 되게 되는 것입니다.

 

그래서 중성자별은 손톱만큼의 부피의 무게가

에베레스트산보다도 무거울 수가 있는 것이죠.

 

원자가 스펙트럼에서 빛을 방출하는 건

전자의 에너지 준위가 변하기 때문인데

우리가 물체를 볼 수가 있는 것도

광원에서 나온 전자기파가 물체에 닿으면

이때 원자의 외곽 전자가

그 에너지로 궤도가 변하면서 나오는 빛을 보는 것입니다.

 

반대로 파울리의 배타원리를 이용해서

원자를 절대영도

그러니까 에너지가 제로인 상태에서

전자가 더 낮은 에너지 준위로 이동할 수 없는 상태가 되면

원자가 전자기파를 전혀 방출하지 않는 상태가

이론적으로 가능할 수가 있습니다.

 

원자가 전자기파를 전혀 방출하지 않게 되면

우리는 그것을 절대로 볼 수가 없습니다.

양자역학적으로 원자를 안 보이게 만드는 것이죠.

 

이것을 파울리 블라킹이라고 하며

지금까지 이론상으로만 가능했던 이 현상을

이번에 MIT 공대에서 실제 실험으로 증명한 것입니다.

 

 

MIT 공대 연구팀은

리튬원자에 있는 에너지 주위가

더 아래로 떨어질 수 없도록

완벽하게 절대영도에 가깝게 냉각을 시켰습니다.

 

기존에 있던 레이저 냉각기술을 이용했는데

이번에 달성을 한 온도는 무려

절대영도에 가까운 우주의 성간 공간보다도

10만 배나 낮은 온도인 20마이크로k까지 냉각하는 데 성공했다고 합니다.

 

이 상태에서 리튬 원자는

전자기파를 산란하는 능력이 완전히 사라졌고

결과적으로는 투명한 상태가 되었다고 하네요.

 

사실 이번 연구는

원자단위에서 양자역학적인 효과를 이용한 것이기 때문에

우리가 흔히 생각하는 투명망토라든가

거시적인 세계에서 투명화를 하는데 사용하기는 어렵습니다.

거기에다가 절대영도에 한없이 가까운

이런 온도로 냉각하고 유지하는 것도

쉬운 일이 아니죠.

 

 

하지만 이번 연구에 의해서 엄청나게 영향을 받을 분야가 있는데

바로 양자컴퓨터입니다.

사실 이번 연구의 목적은

양자컴퓨터에서 결맞음 상태를 유지하고

양자칩을 제어하기 위한 목적입니다.

 

양자컴퓨터는 큐비트가 결맞음 상태를 유지해야지

0과 1이 중첩된 상태를 가질 수가 있는데

양자역학적으로 관측이 되게 되면 결맞음이 깨지게 되고,

이는 양자컴퓨터의 성능을 저하시키게 되는 주 원인이자

큐비트를 획기적으로 늘리기가 어려운 이유입니다.

 

하지만 이번 연구로 원자의 빛의 산란을 억제한다면

결맞음 상태를 유지하기가 더욱더 쉬워지는 것이죠.

 

최근엔 IBM에서 처음으로 100큐비트가 넘는 양자컴퓨터를 만들기도 했죠.

요즘에는 매일 1~2시간씩 과학저널을 보다 보면

매일 양자 컴퓨터에 관련된 논문만 여러 개가 보일 정도로

양자컴퓨터 연구가 활발한데

조만간 슈퍼컴퓨터를 아득하게 뛰어넘는

양자컴퓨터도 나오지 않을까 하는 그런 기대도 되네요.