물리 나노격자로서의 초전도체

2013.10.09 22:58

나노격자로서의 초전도체 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013100117&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-10-09

최근 초전도체(superconductor)에 의해 형성된 나노 수준의 자기장 패턴에 원자를 포집하는 실험이 제안되었는데, 이는 양자 컴퓨터를 구현할 수 있는 배열이다.

레이저(laser)로 포집된 2차원 원자 배열은 양자 역학을 검사하고 기본적인 양자 컴퓨터을 구축하기 위해 광범위하게 사용되는 기술이다. 최근 Physical Review Letters에 다공 초전도 시트로 형성된 자기장 패턴을 가지는 배열을 포집할 수 있는 방식이 보고되었다. 본 시스템은 광학 포집 방식보다 밀집되게 원자를 붙잡아 특정한 양자 컴퓨터에서 장점으로 부각될 수 있다.

광학 격자(optical lattice)는 정상파(standing wave)의 2차원 주기적 배열을 형성하는 십자 형태의 레이저 빔 배열이다. 이러한 필드 패턴의 최소 지점에 극저온 원자들이 끌어 당겨지는데, 구조 형태는 달걀 상자를 닮아있다. 원자들은 또한 양자 터널링(quantum tunneling)에 의해 한 쪽 골에서 이웃한 쪽을 뛰어넘을 수 있다. 이러한 시스템은 배열이 결정에 존재하는 원자 격자를 닮아 있기 때문에 응집 물질 물리에서 나타나는 현상을 모델링할 수 있다. 그러나 결정의 거동은 종종 너무나 복잡해서 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는데, 광학 격자는 이러한 거동을 직접 확인할 수 있는 양자 컴퓨터 혹은 시뮬레이터가 될 수 있다.

표준 광학 격자에서 원자 간의 분리 거리는 광학 파장보다 작지 않을 수 있다. 그러나 원자를 보다 밀집되게 압축하는 장점이 존재한다. 밀집된 영역에서 원자 간의 상호작용은 보다 강하게 나타나기 때문에 외부 섭동에 영향을 덜 받게 된다. 터널링은 또한 보다 용이하게 되어 자주 나타난다. 이러한 결과는 보다 빠르고, 안정적인 양자 시뮬레이터임을 의미한다.

원자를 보다 밀집되도록 포집하기 위해 연구진은 순수한 자기장의 이용을 제안하였다. 우선 초전도체로 제작된 수십 나노미터 두께의 시트가 이미징되었다. 인가된 자기장은 독립된 위치에서 시트를 통과하는 소위 소용돌이 형태에서만 존재하는 재료를 통과할 수 있다. 연구진은 외부 자기장이 제거된 후일지라도 소용돌이를 고정하는 10나노미터 폭의 구멍을 가지는 초전도 시트에 뚫음으로써 의도된 자기 패턴을 형성할 수 있었다. 시트 위쪽으로 향하는 자기장은 소용돌이 정렬이 반영되어 수평면을 가로질러 다양한 세기로 나타난다. 자기 모멘트를 가지는 원자는 자기장이 가장 약한 장소에 수평하게 이동한다. 하지만, 수직한 방향에서 자기장 세기는 높이에 따라 감소하기 때문에 원자는 위쪽으로 이동하게 된다.

각각의 소용돌이 상부에 원자 트랩을 형성하기 위해 연구진은 아래로 향하는 일정한 필드를 인가하였다. 필드는 시트 위쪽의 일정 거리에서 전체 필드 방향이 뒤바뀔 정도로 충분히 강하지만, 소용돌이가 추가적으로 형성될 정도로 강하지는 않다. 필드가 0이 되는 지점은 원자가 안착하기에 안정하며, 이곳의 자기 모멘트는 필드 방향에 반대하여 정렬된다. 포집된 원자의 자기 배향이 뒤집히는 것을 방지하기 위해 연구진은 시간 변환 수평 자기장을 추가하는 표준적인 기술의 이용을 제안하였다.

이러한 정렬은 레이저로 포집된 원자의 광학 격자와 매우 유사하다. 자기장은 원자를 포집하지만, 하나의 트랩에서 다른 쪽으로 터널링되는 패턴을 형성한다. 이러한 시스템은 양자 시뮬레이터의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 구멍 배치를 선택함으로써 트랩의 기하 정렬을 선택하는 것은 격자 성질을 조절하고 냉각 원자의 거동을 관찰할 수 있는 새로운 방법을 제시한다.

[그림]
자기 트랩을 생성하는 초전도체 시트에서 구멍을 사용하여 밀집된 원자 배열을 형성하는 기술

[원문]
Superconducting Vortex Lattices for Ultracold Atoms
O. Romero-Isart, C. Navau, A. Sanchez, P. Zoller, and J. I. Cirac. Phys. Rev. Lett. 111, 145304 (2013)

[출처] http://physics.aps.org/articles/v6/108

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