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- 처음으로 질량이 큰 금속 구체에서 양자 중첩 현상을 입증
- 이 구체는 약 7천 개의 나트륨 원자로 구성되어 있으며, 바이러스만큼 무겁다.
- 지금까지 양자적 특성을 보이는 물체 중 가장 무거운 것
- 금속 나노입자에 대해 중첩과 파동-입자 이중성을 최초로 입증

슈뢰딩거의 고양이 금속으로도 만들 수 있다
금속 구체, 양자 중첩 현상을 보이는 가장 무거운 물체로 확인.

슈뢰딩거의 고양이에 새로운 기록이 세워졌다. 물리학자들이 처음으로 질량이 큰 금속 구체에서 양자 중첩 현상을 입증했다. 이 구체는 약 7천 개의 나트륨 원자로 구성되어 있으며, 바이러스만큼 무겁다. 그런데도, 간섭 실험에서 이 금속 입자들은 양자 파동처럼 행동한다. 즉, 상태를 측정하기 전까지는 동시에 두 곳에 존재한다. "네이처"에 발표된 연구에 따르면, 이 금속 구체는 지금까지 양자적 특성을 보이는 물체 중 가장 무거운 것이다. 

▲ 에르빈 슈뢰딩거의 사고 실험에서, 상자 안을 들여다보지 않는 한 고양이는 살아있으면서 동시에 죽어있을 수 있다. © Dhatfield/ CC-by-sa

슈뢰딩거의 고양이라는 유명한 사고 실험은 양자 물리학의 중첩 현상을 잘 보여준다. 고양이를 방사성 물질과 독극물이 든 상자에 넣는다. 핵붕괴가 일어나면 고양이는 죽는다. 하지만 아무도 확인하지 않는 한, 고양이의 상태는 불확정적이다. 즉, 살아있기도 하고 죽어있기도 한 상태인 것이다. 중첩 상태에 있는 양자 입자는 유사하게 행동합니다. 오직 측정만이 그 상태를 결정합니다. 이러한 "슈뢰딩거의 고양이 상태"는 이미 광자, 전자, 분자, 심지어 원자시계의 원자에서도 발견됐다.

하지만 슈뢰딩거의 고양이는 얼마나 커질 수 있을까요? 일상적인 물체에서는 양자 중첩이 존재하지 않는다는 것이 분명해 보인다. 중력과 같은 외부 영향으로 인해 민감한 양자 상태가 너무 빨리 붕괴되기 때문이다. 따라서 거시적인 물체는 고전 물리학의 법칙을 따른다.

양자 실험에 사용된 금속 덩어리

이제 물리학자들은 슈뢰딩거의 고양이를 미지의 영역으로 확장했다. 그들은 수천 개의 원자로 이루어진 금속 덩어리조차도 양자 파동처럼 행동하고 중첩 상태에 들어갈 수 있음을 처음으로 입증했다. 비엔나 대학의 세바스티안 페달리노(Sebastian Pedalino)와 그의 동료들은 먼저 각각 5천 개에서 1만 개의 극저온 나트륨 원자로 이루어진 덩어리를 만들었다. 이 입자들은 직경 8nm(나노미터), 무게 약 17만 원자 질량 단위(AMU)의 덩어리를 형성했다.

▲ 실험 장치: 레이저 광의 세 개의 정상파가 회절 격자 역할을 했다. a. 광이온화 격자를 빔 분할기로 사용. 광학 격자의 반마디를 통과하는 클러스터는 이온화되어 제거되는 반면, 마디를 통과하는 클러스터는 중성 상태를 유지한다. 이는 입자를 격자 마디 내의 공간 영역에 가두어 운동량 불확정성을 유발한다. 또한, 광장은 쌍극자 모멘트를 유도하여 클러스터에 위치에 따라 달라지는 위상을 부여한다. b. 광학 탈봇-라우 간섭계의 개략도. 비간섭성 물질파에서 시작하여, 첫 번째 격자(G1)는 a에서 설명한 것처럼 입자를 공간적으로 가둠으로써 간섭성을 생성한다. 횡방향 간섭성은 G2 방향으로 증가하며, G2 뒤쪽의 근접장에는 탈봇-라우 카펫이 나타난다. 마지막으로, 세 번째 격자는 간섭 패턴을 가로질러 스캔되는 위치 분해능 검출 마스크 역할을 한다. c. 다중 스케일 클러스터 간섭 장치의 개략도. 응집 챔버 내의 분출형 나트륨 소스가 클러스터 빔을 생성한다. 빔은 여러 단계의 차등 펌핑 과정을 거쳐 초고진공 상태(약 9 × 10⁻⁹ mbar)로 유지되는 간섭계 챔버로 전달된다. 클러스터 빔은 L = 0.983 m 간격으로 등간격으로 배치된 세 개의 수직 정재 광파와 중첩되어 주기 d = 133 nm의 광학 격자를 형성한다. 첫 번째와 세 번째 격자의 강도는 흡수 격자로 작용하도록 선택되고, 두 번째 격자는 더 낮은 레이저 강도로 작동하여 광학 위상 격자를 구현한다. 간섭계를 통과한 후 남은 중성 클러스터는 425 nm 레이저 다이오드를 사용하여 광이온화되고 질량 필터링된다. 세 번째 격자는 분자 빔을 가로질러 스캔다. 그런 다음 적분된 신호는 격자의 변위 함수로 기록. 그림 a와 c의 나노입자 및 광학 부품은 Ryo Mizuta Graphics의 에셋을 사용하여 Blender에서 렌더링되었다. © Pedalino et al./ Nature, CC-by 4.0 (출처:Published: 21 January 2026 / Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry /natire)

실험을 위해 연구팀은 자외선 레이저 빔을 이용해 세 개의 회절격자를 제작했다. 이 빔들은 이중 슬릿 실험에서 격자처럼 작용하는 정상파를 생성한다. 만약 금속 구체가 고전적인 거시적 물체처럼 행동한다면, 이 격자를 통과하는 경로는 명확하게 결정될 것이다. 하지만 금속 나노입자가 양자 입자처럼 행동한다면, 그 파동적 성질로 인해 간섭무늬가 나타날 것이다.

간섭 현상으로 파동적 성질 확인

실제로 금속 구체는 회절격자를 통과하면서 간섭무늬를 남겼다. 페달리노는 "직관적으로는 이렇게 큰 금속 덩어리가 고전적인 입자처럼 행동할 것이라고 예상할 수 있다"고 말하며, "하지만 간섭 현상이 나타난다는 사실은 양자 역학이 이 규모에서도 유효하다는 것을 보여준다"고 덧붙였다. 이 나트륨 구체는 현대 트랜지스터만큼 크고 바이러스만큼 무겁지만, 실험에서는 비국소화된 양자 파동처럼 행동했다.

▲ a. 선택된 양자 실험의 거시성 값. 파란색 원은 원자 간섭계를, 빨간색 마름모는 분자 간섭계를, 주황색 십자는 보스-아인슈타인 응축물(BEC)을, 녹색 사각형은 기계적 공진기를, 빨간색 별은 본 연구에서 사용된 μ = 15.5인 나트륨 나노클러스터를 나타낸다. b. 크기와 복잡성의 시각화. 본 연구에서 조사한 나트륨 클러스터는 약 0.2 MDa에서 양자 입자처럼 거동하며, MDa 영역까지 높은 대비를 보인다. 원자의 수와 질량은 대형 단백질 및 소형 바이러스의 그것과 유사하다(단백질 데이터베이스53 참조). (출처:Published: 21 January 2026 / Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry /natire)

이 실험은 원자 질량의 17만 배에 달하는 금속 물체에서도 양자 중첩이 가능하다는 것을 최초로 입증했다. 슈뢰딩거의 고양이처럼, 이 금속 덩어리는 아주 짧은 순간 두 가지 상태, 즉 '여기here'와 '저기'에 동시에 there존재한다. 이처럼 거의 거시적인 물체조차도 파동-입자 이중성을 보여주는데, 이는 일반적으로 양자 세계에서만 가능한 현상이다.

슈뢰딩거의 고양이, 새로운 기록 달성

물리학자들에 따르면, 이는 슈뢰딩거의 고양이 실험에서 새로운 기록을 세운 것이다. 2023년에 더 큰 진동 결정체에서도 중첩이 관찰되었지만, 당시 '고양이 상태'는 양성자 지름보다 작았다. 페달리노 연구팀은 "이번에 훨씬 더 큰 규모로 확장했다. 이 금속 조각에서는 '여기'와 '저기' 사이의 간격이 133nm에 달한다. 이는 입자 자체의 지름보다 한 자릿수 이상 큰 크기다"고 밝혔다.

"고전적인 세계관으로는 불가능해 보였던 것이 이번 실험에서는 양자역학적 사실이 되었다"고 물리학자들은 밝혔다. 또한, 이들은 금속 나노입자에 대해 중첩과 파동-입자 이중성을 최초로 입증했다. 페달리노 연구팀은 더욱 야심찬 목표를 가지고 있으며, 이미 더 무거운 물체를 이용한 유사한 실험을 계획하고 있다.

참고: Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-025-09917-9
출처: 비엔나 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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