[물리학] 시공간 결정을 이용한 영원히 작동하는 시계

 

 

 

 

우주가 정지한 후에도 완벽하게 영원히 작동하는 시계를 가정해보자. 이런 놀라운 디바이스가 가능하게 하는 것은 공간뿐만 아니라 시간에 대해서도 주기적인 구조를 가진 4차원 결정인 “시공간 결정”으로 알려진 요인이 있다. 그러나 시공간 결정을 제작하고자 하는 데에는 실질적이고 중요한 과학적 이유도 있다. 그와 같은 4차원 결정으로, 과학자들은 이른바 물리의 다체 문제에서 많은 수의 각각의 입자들이 집단적인 상호작용으로부터 어떻게 복잡한 물리적 특성과 거동을 나타낼 수 있는지에 대한 새롭고 더 효과적인 방법을 가질 수 있게 될 것이다.

시공간 결정은 하나의 입자에 대한 작용이 다른 입자가 먼 거리에 떨어져 있어도 그 입자에 영향을 미칠 수 있는 얽힘과 같은 양자 세계의 현상을 연구하는 데도 사용될 수 있을 것이다. 그러나 시공간 결정은 지금까지 어떻게 실제로 제작될 수 있는지에 대해서 진지하게 생각해 본 적이 없는 이론학자들의 마음에만 있었던 개념이었다. 이제 미국 에너지부 소속 로렌스 버클리 국립 연구소의 과학자들은 국제 공동 연구진과 함께 전기장 이온 트랩과 동일한 전하를 운반하는 입자의 쿨롱 반발에 기반한 시공간 결정의 실험적 디자인을 제안하였다.

이온 트랩의 전기장은 대전된 입자를 한 곳에 고정시키고 쿨롱 반발은 그것들이 동시에 공간적 링 결정을 자발적으로 형성하도록 한다고 연구진은 말하였다. 약한 정적 자기장을 가하면, 이 고리 모양의 이온 결정은 정지하는 법이 없이 연속적으로 회전하기 시작한다. 이런 포획된 이온의 일정한 회전은 일시적인 정렬을 발생시켜 가장 낮은 양자 에너지 상태에서 시공간 결정의 형성을 유도한다. 이런 시공간 결정은 이미 그것의 가장 낮은 양자 에너지 상태이기 때문에, 그것의 일시적인 정렬은 이론적으로 우리 우주의 나머지가 열역학 평형 또는 “열사멸(heat-death)”에 도달한 후에도 유지될 것이다. 연구진은 그들의 연구 결과를 "Space-time crystals of trapped ions"라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표하였다.

시간에 대해서 비연속적인 정렬을 가진 결정의 개념은 올해 초 MIT 공대의 노벨상 수상자인 프랑크 윌제크(Frank Wilczek)에 의해 제안되었다. 윌제크가 수학적으로 시간 결정이 존재할 수 있다고 증명하였지만, 물리적으로 그런 시간 결정을 어떻게 현실화시키는지에 대한 것은 분명하지 않았다. 이 연구진은 2011년 9월 이후 다른 시스템의 일시적인 정렬에 대한 문제에 대해서 연구한 결과, 시간과 공간에 대해서 불연속적인 시공간 결정을 제작할 수 있는 실험적 디자인을 고안하였다.

전통적인 결정은 원자 또는 분자들이 정렬되고 반복되는 패턴으로 이루어진 3차원 고체 구조이다. 가장 흔한 예를 보면, 얼음, 소금 또는 눈꽃등이다. 결정화는 분자 시스템에서 그것이 가장 낮은 에너지 상태에 도달할 때까지 열이 제거될 때 발생한다. 특정한 낮은 에너지에서 연속적인 공간 대칭은 붕괴되고 결정은 불연속적인 대칭을 가지게 되는데, 이것은 모든 방향에 대해 동일한 구조를 가지는 대신에, 단지 몇 개의 방향으로만 동일하다는 것을 의미한다.

연구 논문의 주저자인 통캉리(Tongcang Li)는 지난 수십 년 동안 2차원 그래핀, 1차원 나노튜브, 그리고 0차원 버키볼과 같은 저차원 결정질 물질 연구에서 상당한 연구 성과가 있었다고 말하였다. 전통적인 3차원 결정보다 더 높은 차원의 결정을 생성하고자 하는 아이디어는 물리학의 획기적인 새로운 개념이며 시공간 결정을 실현할 수 있는 방법을 첫 번째로 고안하여 매우 고무되어 있다고 그는 말하였다.

3차원 결정이 연속적인 공간 대칭이 불연속적인 대칭으로 붕괴될 때 가장 낮은 양자 에너지로 구성되는 것과 마찬가지로, 시공간 결정의 일시적인 성분을 구성하기 위한 대칭 붕괴도 예상된다. 이 연구진이 고안한 방법으로 지속적으로 회전하는 포획된 이온의 공간적인 고리는 주기적으로 시간에 대해 재생산되어 보통 공간적 결정의 일시적인 유사 상태를 형성한다. 공간과 시간에서 주기적인 구조 결과로 시공간 결정이 형성된다.

시공간 결정이 영구적으로 운동하는 머신과 같아 보이며 따라서 처음에는 믿기 어려울 수 있다고 연구진은 말하였다. 초전도체나 심지어 일반 금속 고리는 지속적인 전류 흐름이 올바른 조건에서 양자 기저 상태에서 발생할 수 있다는 것을 생각하면 좀 더 이해가 쉬울 수 있다. 물론 금속에서 전자들은 공간 정렬이 부족하고 따라서 시공간 결정을 제작하는데 사용될 수는 없다.

연구진은 자신들이 제안한 시공간 결정은 영구적인 운동을 하는 기계는 아니라고 지적하였다. 그 이유는 가장 낮은 양자 에너지 상태에 있어서 에너지 출력이 없기 때문이다. 그러나 시공간 결정이 매우 가치가 있을 것이라는 과학적 연구가 많다고 연구진은 주장하였다. 시공간 결정은 그 자체로 다체 시스템일 것이라고 연구진은 말하였다. 그것은 고전적인 다체 문제 물리 질문을 연구할 수 있는 새로운 방법을 우리에게 제공하여 줄 수 있을 것이다. 예를 들면, 시공간 결정이 어떻게 나타나는가? 시간 이동 대칭이 어떻게 붕괴되는가? 시공간 결정에서 준입자는 무엇인가? 시공간 결정에서 결함의 효과는 무엇인가? 그와 같은 질문에 대한 연구는 우리가 자연을 이해하는데 매우 진일보하게 만들 것이다.

연구진은 시공간 결정은 공간과 시간의 다른 회전 상태에 걸쳐 양자 정보를 저장하거나 전달하는데 사용될 수 있을 것이라고 말하였다. 시공간 결정은 또한 포획된 이온 이외에도 다른 물리적 시스템에서도 유사한 것을 발견할 수 있을 것이다. 이런 유사점은 기본적으로 새로운 기술과 다양한 응용 디바이스 개발을 위한 문을 열 수 있게 할 것이라고 연구진은 덧붙였다.

첨부그림: 제안된 시공간 결정은 시간과 공간에서 주기적인 구조(a)를 보여주고 이것은 가장 낮은 에너지 상태에서도 한 방향으로 회전하는 극저온 이온(b)을 가진다.