빛의 새로운 상태, 광학적 보스-아인스타인 응축 상전이 첫 관찰 (동영상)

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-06 20:31:39
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- 지금까지 알려지지 않은 '새로운 물리적 상태' 형성
- 광자들은 균일하고 하나의 큰 입자처럼 행동하며 단일 파동 함수로 기술될 수 있다.
- 염료 분자는 빛 입자들에 대해 "브레이크" 역할
- 장기적으로 암호화된 양자 통신에도 관련될 수 있다.

빛의 새로운 상태
물리학자들은 광학적 보스-아인슈타인 응축의 상전이를 처음으로 관찰


과학자들이 광자로 구성된 보스-아인슈타인 응축에서 이전에 알려지지 않은 상전이인 빛의 새로운 "물리적 상태"를 발견했다. 수천 개의 빛 입자가 조정되고 균일하게 반응하는 광자로부터 일종의 "수퍼 광자(Super-Photon"를 형성한다. 특정 조건에서 이 구조는 ‘Science’에 설명된 실험이 최근 처음으로 입증한 것처럼 새로운 "오버 댐핑 상태"로 변경될 수 있다.  

▲ 연구원들은 이 장치를 사용해 새로운 빛 상태를 조사했다. © Gregor Hübl / 본 대학교

일반적으로 빛 입자들은 다소 독립적이며 같은 종류에 의해 쉽게 영향을 받지 않는다.
따라서 빛의 광선은 일반적으로 서로 간섭하지 않고 교차할 수 있다.
그러나 특정 조건으로 인해 광자가 상호작용할 수 있다(예 : 광학적 Bose-Einstein 응축에서). 이 "수퍼 광자"에서 광자들은 균일하고 하나의 큰 입자처럼 행동하며 단일 파동 함수로 기술될 수 있다.

냉각된 빛

최근 본 대학의 파흐리 에므레 외츠투르크(Fahri Emre Öztürk)와 그의 동료들은 빛 입자들로 만들어진 이 “수퍼 광자”가 두 가지 다른 상태를 가질 수 있다는 것을 발견했다.
그들은 두 개의 곡면 거울 사이에 염료 용액으로 채워진 챔버 특수 염료 공진기를 사용한 실험에서 이것을 발견했다. 이 공간은 두 거울 사이에서 앞뒤로 반사되는 레이저를 통해 광자로 채워진다.

염료 분자는 빛 입자들에 대해 "브레이크" 역할을 한다.
즉 그들은 운동량과 에너지를 빼앗아 Bose-Einstein 응축이 생성될 정도로 시스템을 냉각시킨다. 정상 상태에서 이러한 Bose-Einstein 응축에서 빛 입자는 균일하게 진동하고 시스템은 날카로운 경계 없이 광자를 방출하는 레이저가 될 수 있다.
▲ 율리안 슈미트 박사가 실험을 설명하고 있다.


두 상태 간의 급격한 전환

Öztürk와 그의 동료들이 최근 발견했듯이 이 시스템은 명확하게 구분된 또 다른 상태를 가정할 수도 있다. 조건이 약간 변경되면 보스-아인슈타인 응축은 상전이를 겪는다.
연구원들이 보고한 바와 같이 정상 진동 상태에서 소위 오버 댐핑 상태로 변경된다.
이러한 변화는 시스템이 갑자기 변화에 매우 민감하게 반응하는 일종의 전환점에서 비교적 갑작스럽게 발생한다.

연구 책임자 마틴 바이츠(Martin Weitz)는 "우리 실험에서 광학 Bose-Einstein 응축의 오버 댐핑 상태는 진동 상태 뿐 아니라 기존 레이저의 위상 전이와도 분리 된다"고 말했다.
다시 말해서, 우리는 광학 보스-아인슈타인 응축의 두 가지 개별 단계를 다루고 있다.
Öztürk는 다음과 같이 덧붙였다. "우리가 관찰한 오버 댐핑된 위상은 말하자면, 빛 필드(light field)의 새로운 상태에 해당한다."

<공동 저자 율리안 슈미트(Julian Schmidt)가 새로운 빛의 상태를 설명하고 있다. © 본 대학교>


양자 통신에도 유용


이 결과는 기초 연구에 흥미가 있을 뿐만 아니라 장기적으로 암호화된 양자 통신에도 관련될 수 있다. Öztürk는 "적합한 양자-기계적으로 얽힌 상태가 결합 된 빛 응축에서 발생하는 경우 여러 참가자 간에 양자 암호화된 메시지를 전송하는 데 흥미로울 수 있다"고 설명했다.

실험을 바탕으로 과학자들은 최근 시스템에서도 발생할 수 있는 몇 가지 결합된 빛 응축에서 빛의 새로운 상태를 계속 찾으려고 한다.
(Science, 2021; doi : 10.1126 / science.abe9869)
출처: Universität Bonn

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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