보즈-아인슈타인 응집체의 간섭현상. (Science 31, 637 (1997), 2001년도 노벨 물리학상).

 극저온 원자기체의 초유체성

  극저온 원자기체를 이용한 양자물성 연구는 1995년 보즈-아인슈타인 응집 현상(Bose-Einstein Condensation, BEC)을 최초로 관측하면서 시작되었다. 원자들이 복합 보존 입자일 경우, 낮은 온도에서 많은 수의 원자들은 동일한 바닥 양자상태를 공유할 수 있게 되는데, 이 때 원자들은 외부 자극에 대해 단체적인 반응을 보이며, 마찰 없이 흐르는 초유체성을 띠게 된다. 보즈-아인슈타인 응집은 1920년도 양자역학 태동기에 아인슈타인에 의해 제시된 개념으로, 현재 관측된 대부분의 초유체 현상을 이해하는 기본적인 이론 틀을 제공한다. 그림1은 독립된 두 개의 보즈-아인슈타인 응집체를 공간상에 겹쳐 놓았을 때 형성되는 원자 간섭무늬를 측정한 실험결과로서, 보즈-아인슈타인 응집체가 지닌 위상 결맞음성을 극명하게 보여준다. 두 개의 백열전등 빛을 스크린 상에 겹치면 밝고 어두운 부분이 번갈아 나타나는 간섭무늬가 생기지 않는 반면, 같은 색의 광자로만 이루어진 두 개의 레이저 빔을 스크린 상에 겹치면 간섭무늬가 생기는 것과 동일한 원리이다. 이 때문에 보즈-아인슈타인 응집체를 '원자 레이저'로 소개하기도 한다.

  최근 10년 동안 양자기체 실험기술은 비약적으로 발전하여, 그 연구의 범위가 폭 넓은 물리영역으로 확대되었다. 그 대표적인 예가 광격자(Optical Lattices) 기술이다. 원자는 자신이 위치한 곳의 레이저 빔 세기에 비례하는 에너지를 갖게 되는데, 만일 진행방향이 서로 다른 여러 개의 레이저 빔들이 겹쳐져 있는 공간에 원자가 위치한다면, 원자는 만들어진 레이저의 간섭무늬로 인해 주기적인 격자 구조를 느끼게 된다. 이러한 광격자 기술을 이용하여, 마치 전자들이 고체 결정 안에서 느끼는 환경과 비슷한 실험조건을 원자들에게 제공하게 된다. 특히, 레이저 빔의 배열과 세기를 조절하면, 다양한 격자 구조와 격자 결합상수를 조성하고, 더욱이 동적으로 조절할 수가 있다. 최근 광격자에 포획된 초유체 원자기체 시료가 격자간 결합상수가 작아지면서 절연체로 변하는 Mott 절연체 양자 상전이 현상이 실험으로 관측된 바 있다. 이는 산화물 계열의 고체에서 관측된 현상과 유사하다.

  양자기체 실험에서 주목할 만한 또 다른 핵심 요소는 입자간의 상호작용을 자유롭게 조절할 수 있는 기술이다. 양자물성은 결국 구성 입자간의 상호작용을 통한 입자들의 상관성에서 기인하다고 볼 수 있는데, 이 상호작용의 세기를 조절할 수 있다는 것은 체계적인 양자물성 연구를 가능하게 한다. 고체 실험의 경우, 시료를 새롭게 만들어야 하는 반면, 양자기체 실험에서는 Feshbach 충돌 공명을 이용하여, 입자간의 상호작용의 세기를 외부 자기장으로 조절할 수가 있다. 최근 실험에서 자연이 허락하는 최대치의 입자간 상호작용을 갖는 페르미 기체가 구현되었고, 여기서 초유체 상전이 임계 온도가 페르미 온도의 15%에 해당함이 확인된 바 있다. 이는 페르미계에서 관측된 초유체 상전이들 중 최대 상대 임계 온도이다.

  이밖에도 중성 원자들에게 라만 레이저 빔을 혼합해 유효 스핀-궤도 결합 효과를 갖도록 하거나, 자기 쌍극자를 이용하여 원거리 상호작용을 발생시키는 실험기술도 최근 개발되어 연구에 접목되고 있다. 다양하고 깨끗한 실험환경의 제공과 정밀한 실험변수의 통제는 양자물성 연구를 위한 양자기체 실험의 큰 매력들이다.

아날로그 양자 시뮬레이터

  미래사회의 성장 동력 중 하나는 우수한 성능의 새로운 물질을 만들어내는데 있고, 이를 위해서는 다양한 물성에 대한 깊은 과학적 이해가 뒷받침되어야 한다. 고온 초전도체 및 양자 자성체 등의 양자물질들은 그 우수한 성질들로 인해 발견 초기부터 많은 관심을 받아왔으나, 여전히 현대물리학의 난제로서 아직까지 이에 대한 근본적인 이해가 얻어지지 않고 있다. 관측된 양자물성의 중심 원리를 찾기 위하여, 간단한 모형이론에 근거한 접근들이 많이 시도되어 왔다. 그러나 실재 물질을 이용한 실험 연구에서는 실험 변수들에 대한 통제가 제한적이고 또한 완벽히 깨끗한 시료를 만드는 것이 불가능하여, 이러한 모형들에 대한 충분한 검증이 이루어지지 못하고 있다. 더욱이, 아주 간단한 유효이론 모형조차도 그 해가 해석적으로나 수치적으로 존재하지 않는 경우가 많아, 기존의 실험연구는 더욱 어려워지고 있다.

  필자는 극저온 양자기체를 이용한 양자물성 연구를 아날로그 양자 흉내내기(Analog Quantum Simulation)라는 새로운 패러다임에서 바라보고자 한다. 양자 흉내내기는 1980년도 초반에 미국의 물리학자 리처드 파인만이 제시한 개념인데, 이 당시 파인만은 양자물리를 흉내 낼 수 있는 범용 양자 컴퓨터의 가능성에 대해 소개하였다. 고도의 실험변수 통제가 가능한 양자기체를 이용하여 모형이론이 제안하는 유효 물리계를 정확히 구현하고, 이에 대한 정밀한 측정을 통해 예견되는 양자물성들을 검증하는 과정은 파인만이 피력했던 양자물리 흉내내기의 많은 모습들을 충분히 갖추었다. 몇 가지 단위 양자연산의 순차적인 조합으로 양자계산을 수행하는 현재의 양자 컴퓨터와 차이를 두어, 필자는 이러한 양자기체 실험을 ‘아날로그’ 양자 흉내내기로 구별한다.

  양자물성 흉내내기를 통해 얻어진 물리적인 통찰은 관측 현상의 이해를 넘어서서, 새로운 기능을 보유한 신물질을 설계하는데도 큰 도움을 줄 것이다. 일예로, 광격자 안의 페르미 원자기체 시스템은 강상관계 물질에서 전자들의 움직임을 묘사하는 핵심 모델인 Hubbard 모델을 구현한다. 격자간의 결합 상수 및 격자 우물 안에서의 상호작용의 크기 등이 자유롭게 조절될 수 있어 다양한 실험적 검증이 가능하다. 구리 산화물 계열의 고온 초전도체에 대한 중요한 직관을 제시할 것으로 기대된다.

양자기체 전망, 기대 과제

  장난감 중에 오랫동안 사랑을 받아온 LEGO가 있다. 단조로워 보이는 작은 조각들이지만, 필요한 부품들을 조립하면, 상상 가운데 원했던 많은 것들을 적절히 만들 어 낼 수 있다. LEGO를 사용한 예술작품들도 등장하고, LEGO 아티스트라는 직명도 생겨나는 것을 볼 때, LEGO의 가능성은 점점 커지는 것 같다. 과학을 탐구하는 사람들에게, 특히 양자물성을 연구하는 사람에게 LEGO와 같은 실험체계가 있을 수 있을까? 물론 LEGO와 직접적으로 비교될 수는 없겠지만, 여러 기술 요소들의 조합으로 사고 실험에서만 논의되어왔던 물리현상들을 탐험할 수 있다면 무척 흥미로울 것이다. 필자는 양자기체 실험연구가 이러한 위치를 차지할 수 있지 않을까 적극적으로 상상해 본다.

  나노 켈빈보다 더 낮은 온도로 안정적으로 냉각하는 새로운 방법이 없을까? 레이저 냉각 기술이 도입되면서 원자 분광학의 도약적인 발전이 있었고 증발 냉각 기술이 도입되면서 비로소 나노 켈빈의 양자기체를 구현할 수가 있었다. 더 광범위한 양자물성 연구를 위해 이제 새로운 냉각 기술의 도입은 현재 양자기체 커뮤니티의 공통된 기대이며 요구이다. 절대 영도에 가까워지려는 노력들에 획기적인 성과가 있을 때마다 역사적으로 노벨상은 계속 주어져 왔다. 앞선 레이저 냉각과 증발 냉각 방식처럼 의외로 간단한 착상에서 새로운 냉각 방식이 발견될 수 있지 않을까 기대해 본다.