지식보관소_ 입자이면서 입자가 아닌 준입자. 유사입자의 발견(2020. 9. 7)

 

 

이 내용은 물리학 저널에

양자세계가 우리가 생각했던 것보다 더 이상하다는

새로운 증거라는 제목으로 소개가 되었습니다.

 

양자역학의 세상은 너무나도 기묘해서

원자 내에서 전자가 존재하는 위치는 확률적으로 존재하고

결맞음 상태에서는 모든 입자가 확률적인 상태인 파동으로만 존재하기도 하고

관측을 안 하면 막혀 있는 장애물을 통과하기도 하는 이해하기가 힘든 세계입니다.

 

하지만 그저 너무나도 작은 영역에서 일어나는 일이라서

실제 세상과 상관없다고 무시하기에는

양자세계에서 일어나는 일이 우주의 기본을 이루고 있고

최근 그라미시딘 이중슬릿 실험을 보면

관측이 안 되는 조건에서는 큰 물체도 입자이자 파동인 상태가 됩니다.

 

이런 양자역학의 현상들이 너무나도 이해하기가 난해해서

아직까지는 우리가 양자역학을 잘못 이해하고 있다라고 생각하는 사람들도 많은데요.

심지어 아인슈타인은 이런 양자역학을 두고

신은 주사위 놀이를 하지 않는다라고 비판을 했던 것은 굉장히 유명하죠.

 

그런데 사실 소름 돋게도

우리가 알고 있던 양자학의 난해함은 아무것도 아니었습니다.

이번 달 9월 3일에 네이처 피직스에 새로운 논문이 올라왔는데요.

논문에 의하면 퍼듀 대학의 과학자팀은 무려 페르미온도 보존도 아닌

가상의 2차원 입자인 애니온을 직접 관측하는 데 성공했다고 합니다.

 

애니온이라는 입자가 생소할 수도 있는데

이에 대해서 정확히 알려면 페르미온과 보존에 대해서 알아야 합니다.

현재까지 알려진 표준 모형에 의하면

신의 입자라고 불리는 힉스입자를 제외하고서는

16개의 입자가 우주를 구성을 하고 있습니다.

이때 12개의 입자는 우리들이 잘 알고 있는

원자를 이루고 있는 쿼크들이랑 전자와 묘원 같은 것들로

이들이 조합하면 중성자와 양성자, 그리고 전자로

우리들이 알고 있는 원자가 됩니다.

이러한 것들을 페르미온이라고 합니다.

 

반대로 에너지를 매개하는 입자가 있습니다.

우주는 4개의 힘으로 이루어져 있는데

다들 아시다시피 중력과 전자기력, 그리고 약한핵력과 강한핵력입니다.

 

하지만 이런 에너지는 마법처럼 원격으로 작용하는 것은 아니고

에너지를 매개하는 입자들이 있는데

예를 들어 전자기력을 매개하는 입자는 광자입니다.

그리고 약한 행력이나 강한 핵력을 매개하는 입자들도 존재하는데

글루온과 보존이며

이러한 에너지를 매개하는 입자들을

전부 다 보존이라고 볼 수가 있습니다.

 

이 내용을 전부 다 설명을 하려고 하면

영상이 너무나 길어지기 때문에

이미 제가 기존의 초끈이론 시리즈에서 설명을 했기 때문에

이해가 안 간다면 이 영상을 보고 오시면 됩니다.

 

아무튼 중요한 건 표준 모형에 있는 입자들은

모두 다 페르미온이나 보존으로 나뉘어진다는 것이죠.

 

하지만 이번에 발견한 애니온은

페르미온도 보존도 아닙니다.

그리고 이러한 애니온을 이해하기 위해서는

또 이해를 해야 할 개념이 있는데

바로 양자홀효과입니다.

 

이게 내용이 점점 더 어려워지긴 하는 것 같은데

설명을 위해서 다 필요한 내용이기 때문에

일단 그냥 들으시면 됩니다.

 

양자홀효과는 자기장에 의해 홀 저항이 양자화되는 것을 나타내는 용어입니다.

참고로 양자역학에서 나오는 양자라는 단어도 그렇고

여기에서 나오는 양자화라는 단어도

아날로그와는 반대되는 개념,

즉 연속적인 값이 아니라 불연속적인 값을 의미합니다.

 

이렇게 저항이 디지털처럼 양자화되는 현상은

전기전자공학도들은 잘 아는 현대의 최첨단 반도체에 사용되는

모스펫mosfet의 동작과도 밀접한 관련이 있습니다.

 

그런데 전자간의 상호작용으로 일어나는 분수양자홀 효과는

2차원의 전자계에서 일어나는데

이때 이러한 현상을 일어나게 하는 매개 입자로

가상의 입자 애니온이라고 명명을 했습니다.

 

여기에서 애니dhs는 입자이기도 하면서 입자가 아니기도 한 물질이기 때문에

위상적 양자 물질상태의 준입자

영어로는 퀀시 파티클quasiparticle이라고 합니다.

 

그리고 이번에 연구진은 실험적인 증거를 통해서

이 애니온이라는 입자가 실제로 존재함이 밝혀졌고

영상에 보이는 이 사진이 간섭 패턴의 양자화된 모습으로

애니온이 존재함을 증명합니다.

 

연구팀은 갈륨 비소와 알루미늄 갈륨 비소로 만든

특정 미로 모양의 애칭이 된 나노 구조를 통해서

전자를 라우팅을 함으로써 이 동작을 입증할 수 있었다라고 합니다.

 

이 내용은 물리학 저널에

양자세계가 우리가 생각했던 것보다 더 이상하다는 새로운 증거라는 제목으로

소개가 되었습니다.

 

애니온은 위상학적으로 양자 상태를 가지는 준입자입니다.

사실 이러한 준입자가 존재한다는 것도 신기하지만

중요한 것은 이러한 애니온이

양자컴퓨터에도 이용이 될 수가 있다는 것입니다.

즉 위상재료로 큐비트를 사용을 하고

물리적인 차원에서는 디코히런스decoherence를 억제함으로써

중첩상태를 계속해서 유지를 시키면서 애니온으로 제어를 하게 되면

양자컴퓨팅이 가능하다는 것이죠.

 

사실 이번 내용을 이해하기 위해서는

입자 물리학과 표준 모형, 분수양자홀효과, 위상수학 등에 대한

어렵고 전문적인 지식들을 요구하기 때문에

영상으로 이 내용을 소개할지 말지 고민을 많이 했습니다.

 

하지만 그럼에도 개인적으로는

애니온의 이런 실험적인 증거들이 너무나도 신기해서

실제 이 방대한 내용 중에서

제가 설명할 수 있는 내용만으로만 만들어봤는데요.

 

아시다시피 양자역학은

우주의 기본을 이루는 물질부터 에너지의 단위까지 모든 것이 양자화되어 있다는 것이고

이러한 내용이 양자역학의 기본 내용입니다.

쉽게 표현하자면 아날로그의 값이 아니라

우주가 컴퓨터 프로그램처럼 디지털화되어 있다는 것인데요.

개인적으로 여러 양자역학적 현상들이나

양자홀효과 같은 걸 생각하면

우주가 아날로그가 아니라 디지털로 되어 있는 것은 맞는 것 같습니다.

그럼 이만.