(읽기 2분 30초)
2차원 격자에 갇힌 원자. 폭은 7마이크로미터, 두께는 수십 나노미터.
양자 정보 전송에 새로운 관점 제시.

연구원들이 세계에서 가장 가벼운 거울을 만든다.
반사기는 레이저 네트워크에 갇혀있는 약 200개의 하나의 원자층으로 구성

광택 표면 대신 원자 집합체 :
연구원들이 세계에서 가장 가벼운 거울을 만들었다.
레이저 빔 그리드에서 약 200개의 루비듐 원자로 구성된다.
레이저 빔은 광택이 있는 금속 표면보다 원자를 훨씬 더 먼 간격을 유지한다.
그러함에도 원자의 상호 작용은 빛을 효과적으로 반사하기에 충분하다.
과학자들이 "Nature"저널에 보고한 내용이다.

▲ 양자 거울은 너비가 7마이크로미터에 불과해 눈으로 보이지 않으나 반사한다. © Christoph Hohmann / David Wei

허블 망원경, 양자 실험실 또는 LIGO와 같은 중력파 탐지기의 경우, 많은 응용 분야에 최적의 반사 및 매끄러운 거울이 필요하다. 거울은 일반적으로 정교하게 연마된 금속 또는 코팅 유리로 구성된다. 표면은 원자 수준까지 충분히 매끄럽기 때문에 입사광을 거의 산란시키지 않고 되반사 시킬 수 있다.

'갇혀있는' 원자로 만든 그리드

독일 남부 가싱(Garching)에 있는 막스 플랑크 양자 광학연구소(Max Planck Quantum Optics Institute)의 준 루이(Jun Rui)와 동료들은 최근 조금 다른 종류의 거울을 개발했다. 그것은 단단한 표면이 아니라 잘 정렬된 원자 구름으로 이루어져 있기 때문이다.
이를 위해 레이저 빔의 2차원 격자에 약 200개의 루비듐 원자를 고정시킨다.
레이저 격자는 예를 들어 금속 표면에서 큰 간격을 두고 서로 떨어져 있도록 원자를 배열한다.

결과는 폭이 약 7㎛(마이크로미터)이고 두께가 수십 나노미터에 불과한 단일 층의 원자 격자다. 두께는 원자가 자신의 움직임과 일치한는 범위다.
간격들이 비교적 넓기 때문에 이 양자 거울은 밀도가 매우 낮아 세계에서 가장 가벼운 거울이다.

▲ 루비듐을 연소할때 나오는 색깔

원자 상호 작용으로 반사 가능

빛이 그리드에 떨어지면 이것은 원자를 자극하고 상호 작용이 생긴다.
루이는 “우리 거울에 부딪힌 광자들은 원자들 사이에 상관관계를 만든다”고 설명한다.
이 효과는 원자 거리가 광 파장보다 낮을 때 발생한다. 원자 상호 작용을 통해 앙상블은 개별 입자들이 모이는 것이 아니라 한 덩어리로 입사광에 작용한다.

따라서 입사광은 개별 원자들을 보는 것이 아니라 단일 반사 표면을 본다.
결과적으로 이 양자 거울은 입사광을 거의 60% 반사한다. 거울 자체는 너무 작아 육안으로 볼 수 없다. 그러나 그 반사는 반사광을 가시화할 수 있을 정도로 효과적이다.

양자 연구를 위한 새로운 기회

루이의 동료 데이비드 웨이(David Wei)는 “광학 격자에 들어있는 원자의 집단 양태를 관찰 한 것은 이번이 처음이다:고 말한다.
빛과 물질 사이의 이 새로운 형태의 상호 작용은 기초 연구에서 뿐만 아니라 양자 정보 처리 분야에서도 새로운 응용 분야를 열어준다. 즉 거울은 양자 정보의 처리 및 전송에 사용될 수 있다.

Wei는 “이러한 양자 전환이 가능한 거울은 양자 컴퓨터에 의해 출력되는 양자 정보 전송에 흥미로운 새로운 가능성을 제공한다”고 말했다.
물리학자들은 이제 양자 거울이 어떤 응용 관점을 열었는지 면밀히 살펴보고 있다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-2463-x)

출처 : Max-Planck-Gesellschaft

[더사이언스플러스] "Green Soul, Beautiful Science" 

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]