초고체 원반
Synopsis: A Supersolid Disk

지난해 첫 번째 이차원 초고체가 극저온 디스프로슘 원자를 이용해 만들어졌다. 초고체란 마찰 없이 흐를 수 있으면서도 고체의 질서가 있는 구조를 가진 이상한 양자 물질을 말한다. 지난해 발표된 이차원 초고체는 가늘고 긴 마름모꼴이었는데, 이차원 초고체를 다른 기하 구조로도 만들 수 있지 않을까 하는 의문이 있었다. 최근 Austrian Academy of Sciences의 Thomas Bland와 연구팀은 이론적 실험적으로 원반 형태의 초고체1)를 시연하여 이런 질문에 긍정적인 답을 주었다. 연구팀은 이러한 이차원 초고체는 초유체 성질의 핵심 증거인 양자 볼텍스를 연구하는데 사용할 수 있으리라 전망한다.

초고체를 만들기 위해 연구자들은 보통 원자 구름을 초유체로 만든 다음에 원자들 간의 상호작용을 조절하여 결정구조를 생성한다. 이러한 순차적 방법은 일차원에서는 잘 작동했지만, 이차원에서는 실패했는데, 이는 결정구조를 만드는 작업이 초유체를 파괴하기 때문이다. 그래서 Bland와 그의 동료들은 이차원 초고체를 만들 수 있는 다른 방법이 필요했다.

연구팀은 초유체 성질과 결정구조를 동시에 유도하는 방법을 찾아냈다. 그들은 증발 냉각 방법으로 눈을 돌렸는데, 이는 뜨거운 원자들을 날려 보내어 전체 계의 에너지를 낮추는 방법이다. 이 방법은 지난 거의 30년 동안 원자 냉각에 사용됐지만, 이차원 초유체 생성에 쓸 수 있을지는 잘 몰랐다. 연구팀은 먼저 이론적 방법으로 증발 냉각으로부터 초고체가 생성될 수 있을지 시뮬레이션을 해보고 이를 실험으로 구현하여 그들의 방법이 안정적인 이차원 초고체를 만들 수 있는 가능한 방법임을 증명했다.

모형 양자계에서 엿보는 스피논 충돌
Synopsis: Spinon Collisions Glimpsed in a Model Quantum System

절대 영도 근방의 온도에서 어떤 자성 물질은 양자 스핀 액체라고 알려진 스핀 분포가 무질서한 이상한 물질 상태로 바뀐다. 이러한 물질의 거동을 이해하기 위해 연구자들은 양자 스핀 액체와 특성을 공유하는 양자 스핀 사슬 모형을 연구한다. 물리학자들은 양자 스핀 사슬에서 발생하는 특정한 준입자들의 상호작용을 이해하고 싶어 한다. 최근 Zurich에 있는 Swiss Federal Institute of Technology의 Kirill Povarov와 동료들은 물질의 특정 준입자 사이에서 예상된 상호작용을 첫 번째로 관측했다.2)

양자 스핀 사슬은 국소 스핀의 일차원 배열로서 스피논이라 불리는 준입자의 이상한 들뜸을 품고 있는데, 이러한 들뜸은 항상 쌍으로 발생한다. 이전의 이론 연구에서 스피논 상호작용이 자기장이 걸려있는 양자 스핀 사슬의 에너지 스펙트럼에 영향을 주리라 예측된 바 있다. 특히, 두 스피논이 충돌할 때, 충돌이 특정 조건에서 스핀의 세차운동에 영향을 줄 것으로 예측되었고, 이는 물질의 에너지 레벨의 이동을 초래한다.

자기 공명 분광법을 사용하여 Povarov와 연구팀은 이론에서 예측된 에너지 이동을 양자 스핀 사슬 물질인 K₂CuSO₄Br₂에서 관측했다. 연구팀은 후속 연구에서 고차원의 스핀 배열을 가진 좀 더 복잡한 물질에서 준입자 상호작용의 증거를 찾아보려 한다.

빙글빙글 도는 극저온 페르미온
Synopsis: Ultracold Fermions Go Round and Round

충분히 낮은 온도에서 원자 기체는 초유체가 되는데 어떠한 외부 자극 없이도 흐르는 원자의 지속 전류가 발생할 수 있다. 이러한 전류는 보존 원자 초유체에서는 이미 관측되었으나 페르미원 원자에서는 관측된 바 없었다. 최근 Darthmouth College의 Yanping Cai와 동료들은 페르미온 원자 초유체에서 지속 전류를 발생시키는 실험적 절차를 시연하였다.3)

연구팀의 실험에서는 두 개의 다른 스핀 상태를 갖는 리튬-6 원자 조합을 사용하였다. 연구팀은 원자 기체를 링 모양 트랩에 가두고 수십 나노 켈빈까지 냉각하였다. 그런 다음 원자간 상호작용을 자기장을 사용하여 조절하여 초유체를 만들었다. 계의 전류를 연구하기 위해 연구팀은 초유체를 레이저 광선으로 휘젓고는 자기장의 세기를 올려 원자간 상호작용을 약하게 했다. 연구팀은 이러한 휘젓는 과정에서 발생된 전류가 원자 상호작용을 약하게 했음에도 최대 10초간 유지됨을 밝혀냈다.

연구팀은 페르미온 초유체에서 만들어낸 지속 전류를 양자 센서와 같은 실용 목적으로 사용하기는 어렵겠지만, 페르미온 원자의 상호작용을 조절할 수 있음은 기초 연구 측면에서 중요하다고 말한다. 이러한 조절 가능한 상호작용은 초기 우주의 동역학과 이론적 관계가 있는 Kibble-Zurek 메커니즘의 실험대 위의 시뮬레이션을 가능하게 할 것이라 전망한다.

도망가는 뭉친 블랙홀
Synopsis: Merged Black Hole On The Run

두 블랙홀이 나선 운동으로 부딪힐 때 그 모든 에너지가 병합과정에 사용될 것으로 상상하기 쉽다. 놀랍게도 때로는 이러한 병합 운동이 최종적으로 블랙홀을 모체가 되는 은하로부터 매우 빠른 속도로 밀어낸다. 천문학자들은 빠르게 움직이는 블랙홀에 대한 실마리를 관측했으나 병합이 원인인지는 불분명했다. 병합으로부터 나오는 중력파에 대한 새로운 분석은 이러한 강한 밀어냄에 대한 첫 번째 직접적 증거를 제시한다.4)

밀어냄은 병합으로부터의 중력파가 한 방향으로 뿜어져 나올때 일어날 것이라 예상된다. 운동량을 보존하기 위해 남은 블랙홀은 반대 방향으로 튕겨 나올 것이다. 이러한 비대칭성은 병합되는 두 블랙홀이 서로 다른 질량이나 스핀을 가질 때 일어날 수 있다. 병합 운동의 궤도면이 세차 운동할 때 강한 밀어냄이 예상되는데, 이는 중력파 신호의 크기 변동을 관측함으로써 알 수 있다.

독일 Max Planck Institute for Gravitational Physics의 Vijay Varma와 동료들은 GW200119의 병합을 분석했는데 이는 중력파 데이터에서 세차 운동의 강력한 증거를 보여주는 첫 번째 사례이다. 연구팀은 관측된 신호를 수치 상대론 시뮬레이션에 기반한 예측과 비교하여 최종적으로 생성되는 태양보다 60배 무거운 블랙홀이 초속 1500 킬로미터로 밀려나고 있음을 알아냈는데, 이 속력은 우리은하의 탈출속도를 초과하므로 은하로부터 벗어날 것임을 시사한다.