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[표지로 읽는 과학] 측정하는 순간 상태 바뀌는 까다로운 양자, 빛으로 붙잡았다

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[표지로 읽는 과학] 측정하는 순간 상태 바뀌는 까다로운 양자, 빛으로 붙잡았다

2021.07.17 06:00
네이처 제공
네이처 제공

국제학술지 ‘네이처’는 15일 지름 150nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 크기의 유리 나노입자 모습을 표지로 실었다. 표지 가운데에는 현미경 대물렌즈 위로 유리 나노입자가 마치 점처럼 허공에 떠있다. 빛으로 작은 입자를 포획해 붙잡아두는 ‘광 포획’ 기술을 활용한 것이다.


최근 양자기술에 대한 수요가 증가하면서 양자역학적 상태를 조절하는 기술에 대한 필요성도 커지고 있다. 원자나 광자, 이온 등 입자의 양자역학적 상태를 조절하기 위해서는 입자의 상태를 측정하는 동시에 그 측정으로 인해 양자역학적 상태에 미치는 영향을 최소화하는 기술도 필요하다. 

 

하지만 입자와 같은 nm 수준의 아주 작은 세계에서는 측정 자체가 입자의 물리량에 영향을 줘 두 가지 물리량을 동시에 측정할 수 없는 불확정성을 나타낸다. 이에 따라 입자의 양자역학적 상태를 측정하면서 동시에 이를 제어하기가 매우 어렵다. 


빛에 잡혀 있는 나노입자는 점점 빛을 흡수해 ‘양자 바닥상태’에서 벗어난다. 양자 바닥상태는 양자역학적 상태 중 에너지가 가장 낮은 상태로 가장 안정적이다. 반대로 바닥상태를 제외하고 이보다 에너지가 높은 상태는 들뜬 상태에 해당한다.


마커스 에스펠마이어 오스트리아 빈대 물리학과 교수팀은 이번 주 네이처에 발표한 논문에서 실온에서 나노입자를 양자 바닥상태 근처까지 낮추는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술을 이용하면 나노입자에서 나오는 빛을 분석해 나노입자의 양자역학적 상태를 실시간으로 확인할 수 있다. 양자역학적 상태의 측정과 제어를 동시에 이뤄낸 것이다. 


루카스 노보트니 스위스 취리히연방공대(ETH) 광학연구소 연구원 팀도 이번 주 네이처에 양자 역학적 상태를 제어하는 방법을 제안했다. 나노입자를 극저온과 초고진공 상태에 둬 나노입자의 양자역학적 상태를 바닥상태로 유지하는 데 성공했다. 연구팀은 이 같은 방법을 거시적 규모에서 양자역학적 상태를 제어하는 방법에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.


네이처는 “두 논문 모두 양자역학적 상태를 제어하는 방법을 보여줬다”며 “미래에 거시적 규모에서 양자역학적 상태를 제어하는 기술의 토대를 닦았다”고 밝혔다. 

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