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- 양자 중첩 덕분에 중성자가 실제로 두 경로를 동시에 따라갔다는 것을 확인

하나의 입자로 이중 슬릿 실험
중성자의 스핀 회전으로 양자 중첩의 직접 감지 가능

유명한 이중 슬릿 실험은 일반적으로 파동 입자 이중성과 양자 중첩을 증명하기 위해 여러 입자가 필요다. 최근 물리학자들은 단일 중성자로 충분한 방법을 개발했다. 양자 분배기를 사용하고 스핀을 조작함으로써 그들은 양자 중첩 덕분에 중성자가 실제로 두 경로를 동시에 따라갔다는 것을 보여줄 수 있었다. 

▲ 여기 전자와 같은 고전적인 이중 슬릿 실험에서 파동 거동을 입증하기 위해 많은 입자가 필요하다. © Alexandre Gondran/ CC-by-sa 4.0

이중 슬릿 실험은 양자 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나이다.

광자, 전자, 원자 또는 분자 빔이 두 개의 슬릿이 있는 다이어프램을 겨냥하면 그 뒤에 있는 검출기에서 간섭 패턴이 생성된다. 이것으로 입자의 양자파가 서로 증폭되거나 상쇄됨을 보여 파동-입자 이중성을 확인한다. 동시에 이 실험은 양자 물리적 중첩도 증명한다. 각 입자는 격자를 통과하는 특정 경로를 따라갈 뿐만 아니라 동시에 여러 경로를 따른다.

▲ 편광된 단색 중성자는 간섭계에 들어가 여러 경로로 나뉜다.(출처:관련논문 Quantifying the presence of a neutron in the paths of an interferometer / Physical Review Research)

중성자의 두 가지 경로

문제는 결과 패턴을 하나의 입자에서만 인식할 수 없다는 것이다. 공동 저자인 히로시마 대학의 홀거 호프만(Holger Hofmann)은 "개별 입자의 거동은 많은 입자의 통계적 분석을 통해서만 볼 수 있는 결과를 기반으로 설명된다. 따라서 우리는 단일 입자 탐지를 사용해 양방향 간섭 현상을 증명할 수 있는 방법을 고려했다"라고 설명했다.

이를 위해 Hofmann과 제1저자인 하르트문트 렘멜(Hartmut Lemmel)이 이끄는 Vienna University of Technology의 팀은 이중 슬릿 실험의 새로운 변형을 개발했다. 이를 위해 그들은 먼저 중성자의 양자파를 두 개의 부분파로 나누는 결정에 개별 중성자를 지시했다. 그런 다음 이중 슬릿 다이어프램의 두 구멍과 유사한 두 가지 다른 경로를 따른다. 목적지에서 그것들은 다시 모여서 겹쳐지고 측정된다.

스핀 트위스트 오버레이 표시

여기서 트릭은 중성자의 두 부분파 중 하나가 스핀을 약간 회전시키는 자기장에 노출된다는 것이다. 두 개의 부분파가 합쳐진 후, 그 스핀은 자기적으로 원래 방향으로 되돌아오고 편향 정도가 측정된다. 중성자가 스핀 트위스터의 경로만 취했다면 역회전을 위해서는 전체 회전 각도가 필요했을 것이다. 다른 길을 택했다면 역전은 전혀 필요하지 않았을 것이다.

▲ 이 실험 설정을 통해 물리학자들은 단 하나의 중성자로 이중 슬릿 실험을 복제하는 데 성공했다. © Laurent Thion/ Institut Laue-Langevin (ILL)

따라서 연구원들은 편향에서 중성자가 두 경로 중 하나만 따랐는지 또는 양자 중첩 덕분에 두 경로를 동시에 사용했는지 읽을 수 있었다. "결과는 개별 입자가 경로 중 하나의 자기장에 부분적으로만 노출되었음을 보여준다"라고 그들은 보고했다. 측정을 통해 각 부분파의 회전 각도를 측정하여 부분파의 몫을 결정할 수 있었다. 측정에 따르면 중성자는 두 경로에서 동시에 이동했으며 한 경로에는 약 1/3이, 다른 경로에는 2/3가 존재했다.

양자 물리학 확인

이것은 중성자가 파동처럼 행동하고 양자 중첩 덕분에 동시에 두 장소에 있을 수 있음을 증명한다. "우리의 측정 결과는 고전적 양자 이론과 완벽하게 일치한다"라고 비엔나 공과 대학의 수석 저자인 슈테판 스포나르(Stephan Sponar)가 말했다. 이 실험은 중첩되지 않고 국소화된 입자만 가정하는 양자 역학의 대안적 해석을 배제하는 데에도 사용할 수 있다.

"새로운 점은 불만족스러운 통계적 논증에 의존할 필요가 없다는 것이다. 단일 입자를 측정하는 우리의 실험은 입자가 동시에 두 가지 경로를 취했음에 틀림없고 각각의 몫을 명확하게 수량화했음 보여준다."
(Physical Review) 연구, 2022, doi : 10.1103/PhysRevResearch.4.023075)
출처: 비엔나 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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