독일 본 대학의 연구진은 단일 원자가 어떻게 두개로 분리되었다가 다시 합쳐질 수 있는지를 보여주었다. 원자는 글자 그대로 나뉘어질 수 없는 것을 의미하지만, 양자 역학의 법칙은 빛 광선이 나뉘었다가 다시 합쳐지는 것과 같이 원자를 분리시키는 것을 허용한다. 연구진은 원자가 이웃 원자를 접촉하도록 하고 그것들이 당겨서 분리하도록 하여 마치 두개의 기둥 사이에 다리연결과 같이 되게함으로써 양자 역학적 다리를 제작하는 연구를 수행하였다. 이 연구 결과는 “Proceedings of the National Academy of Sciences” 저널에 발표되었다.

원자를 나누는 것은 핵분열과 방사능 방출과 같이 들린다. 그러나 그것은 양자 역학을 이용한 정밀한 프로세스이다. 양자 역학의 법칙은 물체가 여러 상태에 동시에 존재하는 것을 허용한다. 이것은 이른바 이중 슬릿(double-slit) 실험의 기반이 되는 것으로써, 입자가 두 개의 슬릿을 동시에 통과할 수 있다는 것을 의미한다. 본 대학의 과학자들은 10 마이크로미터 이상 떨어진 두 곳에서 동시에 단일 원자를 유지하는데 성공하였다. 이것은 원자에 있어서 매우 큰 거리이다. 그 후 원자는 손상되지 않고 원상복귀되었다.

부숴지기 쉬운 양자 효과는 가장 낮은 온도에서만 발생할 수 있으며 주의깊게 다루어야 한다. 한가지 방법은 세슘 원자를 레이저를 이용하여 절대온도 영도에 근접한 온도까지 냉각시킬 수 있으며 그 후 다른 레이저로 원자를 유지할 수 있다. 이런 레이저빔은 원자를 분리하는데 핵심적인 역할을 한다. 그것은 원자가 두 가지 방향을 향할 수 있는 스핀을 가지고 있기 때문에 가능한 일이다. 방향에 따라, 원자는 레이저에 의해서 오른쪽 또는 왼쪽으로 움직일 수 있다. 핵심적인 것은 원자의 스핀이 동시에 두 방향을 향할 수 있다는 것이다. 따라서, 원자가 오른쪽과 왼쪽으로 동시에 움직인다면 그것은 분리될 것이다.

원자는 일종의 분리 특성을 가지고 있기 때문에, 그것의 반은 오른쪽으로 향하고 다른 반은 왼쪽으로 향하지만, 아직도 한 덩어리로 간주된다고 논문의 주저자인 안드레아스 스테펜(Andreas Steffen)은 말하였다. 그러나 분리를 직접적으로 볼 수는 없다. 사진을 찍기 위해서 빛을 원자에 조사하면 분리는 즉시 붕괴될 것이다.
원자는 어떤때는 오른쪽에서 어떤때는 왼쪽에서 몇개의 영상으로 볼 수 있겠지만 두 곳에서는 결코 볼 수 없을 것이다. 그럼에도, 분리는 원자를 성공적으로 되돌려 놓음으로써 증명될 수 있다. 따라서 간섭계는 외부 충격을 정확하게 측정하는 데 사용될 수 있는 개개의 원자들로부터 제작될 수 있다.

여기 원자들이 분리되어 떨어져 움직이고 다시 결합한다. 보여지게 될 것은 두 개 위치의 자기장 사이의 차이 또는 가속도의 차이이다. 그 이유는 그것들이 원자의 양자 역학적 상태에 각인되기 때문이다. 이 원리는 이미 지구 가속도와 같은 힘을 정확하게 측정하는데 사용되고 있다. 그러나, 본 대학의 과학자들은 복잡한 양자 시스템을 시뮬레이션하는 것을 찾고 있다. 많은 물리학자들은 오랫동안 이른바 위상학적 절연체 또는 식물 광합성과 같은 현대 슈퍼 컴퓨터로 다루기 힘든 현상을 시뮬레이션하기 위해서 오랫동안 노력하였다.

그와 같은 시뮬레이터를 개발하기 위한 첫단계는 고체 상태안의 전자들의 운동을 모델링하는 것이며, 이를 통하여 혁신적인 전자 디바이스에 대한 통찰력을 얻을 수 있게 된다. 이것에 대한 보기는 단일 그라핀층안의 전자들의 디락 운동 또는 상호작용하는 입자들로부터의 인위적인 분자들의 출현이다. 그러나 이를 목적을 위해서, 개개의 원자들은 잘 조작되어야 할 뿐만 아니라, 양자 역학 법칙에 따라 연결되어여만 한다. 그 이유는 물질의 핵심이 많은 양자 물체로 만들어진 구조 안에 정확하게 놓여있기 때문이다.

본 대학의 실험을 이끌고 있는 안드리아 알버티(Andrea Alberti)박사는 그들에게 원자는 잘 조절될 수 있는 기름을 친 톱니바퀴의 톱니라고 말하였다. 이런 톱니를 이용하여 놀라운 성능을 발휘할 수 있는 계산기를 제작할 수 있지만, 그렇게 하기 위해서 그것들이 작동을 하여야 한다고 덧붙였다. 바로 이런 점에서 분리되는 원자들의 실제적인 중요성이 있다고 알버티 박사는 말하였다.

이 분리된 반쪽은 다시 합쳐지기 때문에, 그것들은 오른쪽과 왼쪽에 있는 인접한 원자들과 접촉할 수 있으며 그것을 공유한다. 이것은 컴퓨터의 메모리와 같이 실제 시스템을 시뮬레이션하고 조절하는데 사용될 수 있는 원자들의 작은 네트워크를 허용한다. 연구진은 개개의 원자들을 정확하게 조절하는 것은 시간이 지남에 따라 가능해 질 것으로 믿고 있다. 이들의 연구 결과는 “A digital atom interferometer with single particle control on a discretized space-time geometry,” 라는 제목으로 Proceedings of the National Academy of Sciences 저널에 발표되었다.

첨부그림: 독일 본(Bonn) 대학의 연구진은 단일 원자가 어떻게 두 개의 반쪽으로 갈라졌다가 다시 합쳐질 수 있는지를 보여주었다.