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- 오류가 발생하기 쉬운 변환, 가변적인 영향 요인 없이 회전 각도에서 직접 읽을 수 있어
- 양자 홀 효과(quantum Hall effect)를 기반
- 갈륨 비소 기판 위의 크롬 비스무트 안티몬 테르븀 화합물((Cr0.12Bi0.26Sb0.62)2Te3) 위에 단 6nm((나노미터) 두께의 단결정 필름 사용

미세 구조 상수 재측정
처음으로 물리학자들은 편광의 회전 각도를 통해 자연 상수를 직접 결정했다.

놀라울 정도로 간단하다. 물리학자들은 물리학에서 가장 중요한 기본 수량 중 하나인 미세 구조 상수를 직접 측정하는 새로운 방법을 발견했다. 그들의 실험에서 기본 전자기력에 대한 이 값은 측정 빔의 급격한 편광 변화에 의해 드러났다. 미세 구조 상수는 오류가 발생하기 쉬운 변환이나 가변적인 영향 요인 없이 회전 각도에서 직접 읽을 수 있다. 

▲ 미세 구조 상수는 양자 홀 효과에 의해 생성된 레이저 빔의 편광에서 점프의 회전 각도로부터 직접 읽을 수 있다. © Tatiana Lysenko / TU Wie

미세 구조 상수는 우리 우주의 기본 수량으로 전자기 상호 작용의 강도를 설명하므로 네 가지 기본 힘 중 하나다. 무엇보다도 이 상수는 원자의 크기를 결정하고, 핵물리학과 화학 반응, 그리고 우리 우주의 거의 모든 과정을 형성한다. 많은 자연 상수와 물리적 표준 모델도 이를 기반으로 한다.

따라서 미세 구조 상수를 가능한 한 정확하게 아는 것이 중요하다. 대략적인 값이 1/137의 분수로 간단히 주어질 수 있다는 것은 사실이다. 그러나 정확한 값을 결정하기 위해 때때로 복잡한 실험이 필요하다. 일반적으로 다른 관련 매개변수를 먼저 측정한 다음 미세 구조 상수를 계산한다.

양자 홀 효과 및 편광

Vienna University of Technology의 알렉세이 슈베이(Alexey Shuvaev)와 함께 일하는 물리학자들이 현재 시연하고 있는 더 쉬운 방법이 있다. 그들은 미세 구조 상수를 직접 측정할 수 있도록 하는 실험을 개발했다. 그들의 접근 방식은 소위 양자 홀 효과(quantum Hall effect)를 기반으로 한다. 저온 및 강한 자기장에서 재료의 저항이 더 이상 지속적으로 변경되지 않고 점차적으로 양자화된다.

"양자 홀 효과의 양자화된 저항은 우리에게 미세 구조 상수를 측정할 수 있는 독특한 기회를 제공한다"며 "이 효과의 정적 측정을 광학 영역으로 옮기면 미세 구조 상수는 회전 각도에 해당한다"고 물리학자들은 말했다. 더 간단히 말해서 양자 홀 효과가 있는 재료를 통해 측정 빔을 향하게 하면 방향이 바뀐다. 방사선의 진동. 그리고 이 양극화 점프의 각도는 이론에 따라 상수를 나타낸다.

테스트 중인 방법

실제로 그러한 측정은 그리 간단하지 않다. 양자 홀 효과가 가능한 한 명확하게 정의되고 쉽게 측정 가능한 재료를 찾아야 하기 때문이다. 그래야만 편광 각도의 양자화된 급격한 변화를 정확하게 측정할 수 있다. 실험을 위해 Shuvaev와 그의 팀은 갈륨 비소 기판 위의 크롬 비스무트 안티몬 테르븀 화합물((Cr0.12Bi0.26Sb0.62)2Te3) 위에 단 6nm((나노미터) 두께의 단결정 필름을 사용했다.

이 얇은 판은 절대 영도 바로 위까지 냉각됐고 약 1테슬라의 정적 자기장에 노출되었다. 그런 다음 실제 측정이 이루어졌다. 팀은 테라헤르츠(THz) 범위의 편광 레이저 빔을 측정 재료에 겨냥하고 재료를 통과한 후 편광 각도가 변경되었는지 여부와 변경 방법을 결정했다.

“레이저 빔의 편광을 회전시키는 물질에는 특별한 것이 없다. 그러나 우리는 여기서 완전히 다른 효과를 다루고 있다"고 Vienna University of Technology의 수석 저자인 Andrei Pimenov는 설명한다. "우리의 경우 편광은 지속적으로 회전하지 않고 점프한다.”

직접 측정할 수 있는 상수

실험은 성공적이었니다. 측정 결과 실제로 이산적이고 재현 가능한 편광 변화가 나타났으며 미세 구조 상수는 이 점프의 회전 각도에서 직접 읽을 수 있다. "이 방법을 사용하면 계산이나 추가 매개변수 없이 보편적인 회전 각도와 미세 구조 상수를 직접 관찰할 수 있다"고 물리학자들은 설명했다. "미세 구조 상수는 각도로 즉시 볼 수 있다.“

따라서 이 새로운 유형의 측정은 다른 매개변수 및 기본 변수와 독립적으로 매우 중요한 기본 상수를 측정할 수 있는 가능성을 제공한다. 이것은 그 값을 가능한 한 정확하게 결정하는 데 도움이 될 수 있지만 미세 구조 상수가 실제로 수십억 년 동안 동일하게 유지됐는지 여부를 명확히 한다.
(Applied Physics Letters, 2022; doi: 10.1063/5.0105159)
출처: Applied Physics Letters, Vienna University of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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