미국 USC(University of Southern California)의 물리학자들은 처음으로 자성 물질 안에서 양자 입자 또는 무질서한 보존의 특성을 정성적으로 설명할 수 있는 연구를 수행하였다.이들의 연구는 우리의 양자 역학 이해를 확대시키고 기존의 양자 이론의 예측을 검증할 수 있는 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. USC의 물리학과 교수이며 논문의 공저자인 스테판 하스(Stephan Haas)는 무질서한 양자 시스템에서 그와 같이 놀라운 보편성을 발견한 것은 놀라운 일이라고 말하였다. 그리고 마침내 자연 상태에서 가장 측정하기 힘든 물리 현상 중의 하나인 양자 유리(quantum glasses)에 대한 실질적인 측정이 가능하게 되었다는 것은 놀라운 일이라고 말하였다.

USC 연구진은 텍사스 라이스 대학, 플로리다 대학, 브라질의 Sao Paulo 대학, 독일 막스 플랑크 연구소, 미국 뉴멕시코에 위치한 로스 알라모스 국립 연구소, 그리고 프랑스 Ecole Normale Superieure de Lyon의 연구진과 공동으로 연구를 수행하였다. 이들 연구진은 USC의 고성능 슈퍼 컴퓨터 클러스터뿐만 아니라 미국 에너지 소속 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Lab)의 슈퍼컴퓨터를 이용하여 2000년 초부터 양자 유리의 거동에 대해서 연구를 시작하였다.

이 논문은 물리학에서 매우 새로운 양자상(quantum phase)의 관측이라고 연구진은 말하였다. 그것은 양자 세계에 대한 우리의 이해를 깊게 하여 준 것이라고 연구진은 덧붙였다. 양자 입자들은 파동처럼 거동하며, 그것들은 그들의 물리적 크기보다 훨씬 더 큰 공간 주위를 살펴볼 수 있다. 그것들은 입자 상태를 기술하는 파동에 상응하여 많은 다른 위치의 양자 중첩(quantum superposition) 안에서 비국재화(delocalized) 된다.

이 확장된 양자 입자들의 파동 같은 특성은 그것들이 고립된 장벽을 투과할 수 있게 해주지만, 그것은 또한 많은 장벽의 존재에 대해서 양자 입자들이 극도로 민감하게 만들며 훨씬 더 포획되기 쉽게 만든다. 다른 방식으로 그것을 설명할 수 있다. 산맥 위를 나는 헬리콥터는 그것이 산맥의 가장 높은 산보다 더 높이 날 경우 아래의 산지형에 의해 아무런 영향을 받지 않는다. 또는 헬리콥터가 날아가는 주어진 높이에 대해서, 계곡의 미로가 있어서 헬리콥터가 산맥을 통과해 나갈 수 있다면 문제가 되지 않을 것이다.

그러나 "양자 헬리콥터"는 산맥을 가로질러 건너갈 수 없을 가능성이 매우 크다. 심지어 계곡의 경로를 따라가도 어려울 것이며, 일부의 경우 그것이 가장 높은 곳을 건너뛰어 날아갈 에너지가 충분하여도 그렇다. 그 이유는 여러 산맥 정상에 여러 반사된 파동의 간섭으로 인해 양자 파동이 포획되어 남아있기 때문이다. 이것은 앤더스 국재화(Anderson localization)라고 알려진 현상을 일으킨다.

국재화는 파동의 물리학에서 매우 흔하게 볼 수 있는 현상이다. 그것은 잠재적으로 파동이 무질서한 매체를 가로질러 이동할 때마다 또는 장애물이 임의적으로 배열되어 있는 곳을 가로질러 갈 때마다 발생한다. 양자 역학에서, 그것은 전자가 무질서한 고체 안을 흘러가지 못하도록 할 수 있다.

이런 무질서가 자연상태에서 도처에 존재하기 때문에, 우리는 양자 입자들의 수송이 어떻게 가능할 수 있는지에 대해서 질문하는 것이 당연한 것이라고 연구진은 말하였다. 국재화를 피하는 전략은 여러 가지며, 고려되는 시스템에 달려있다. 이 논문에서 연구진은 상호작용하는 보존의 시스템에서 국재화를 연구하였으며 그것들이 비국재화 상태로 놀라운 집단적인 전이에 대해서도 연구하였다.

연구진은 또한 비국재화된 초유체와 국재화된 유리 상태 사이의 양자상 전이를 포함하여 무질서한 양자 자석의 자기장-온도 상다이어그램에서 몇 가지 보편적인 특징을 결정하였다. 이 발견은 양자 역학의 파워와 특히 고전 역학적 세계에서 우리가 관측하지 못하는 현상을 시연하였다고 연구진은 말하였다.

그것은 물질의 새롭고 흥미로운 상태라고 연구진은 덧붙였다. 연구진은 보존 국재화에서 응집 물질의 응축으로 전이되는 문제는 오랫동안 지속되어 온 것이라고 말하였다. 연구진은 이 전이에 대한 연구의 새로운 길을 열 수 있기를 희망하고 있다. 그들의 발견은 어떤 전이 하에서 두 개의 양자 상태가 일어날지에 대한 조건을 예측하는 새로운 법칙이 될 수 있을 것이다. 이 연구는 양자 역학의 특성을 완전히 이용한 기술을 개발하기 위해서 연구자들이 반드시 탐구해야 할 기반을 구축한 것이다.

첨부그림: 양자 자석과 양자 역학의 여러 현상의 이해는 컴퓨팅, 대체 에너지 및 자기 부상 열차와 같은 혁신적인 기술을 개발하는데 중요하다.