극한의 전선
Synopsis: A Wire on the Edge

일차원 선 구조에서 불순물이 존재하면 상호작용하지 않는 입자의 흐름을 막고 이를 국소화라고 부른다. 국소화되어 있으면서 전도성이 있는 상호작용하지 않는 입자는 1차원에는 존재하지 않으므로 불순물은 선에서 수송 능력을 제한한다. 최근 중국 Shanxi University 의 Yunfei Wang과 연구팀은 국소화 문제를 상호작용하는 입자를 사용함으로써 해결할 수 있음을 보였다.1) 연구팀은 그들의 일차원 계 연구에 얻은 직관이 3차원 계에도 적용 가능하다고 말한다.

연구팀은 실험적으로 극저온 세슘 원자의 운동량 상태로 정의되는 “합성” 차원에서 선 구조를 생성하였다. 원자를 10 nK까지 냉각하여 보즈-아인슈타인 응축체를 생성하고 레이저를 쪼여 운동량 상태를 조절하고 이렇게 운동량 상태를 바꾸는 원자를 이용해서 선을 따라 움직이는 입자를 모사했다. 연구팀은 레이저를 이용해 서로 다른 원자의 에너지 상태 사이 부정합을 유도하여 불순물을 만들었다. 여기서 원자 간 상호작용은 입자 간 상호작용으로 취급될 수 있다. 최종적으로 운동량 상태 바꿈을 겪은 원자의 운동량을 측정하여 모사하는 선위의 입자 위치를 나타내었다.

연구팀의 실험은 일차원 계 상호작용하는 입자가 일으키는 다양한 양자 수송 거동을 보여준다. 상호작용의 세기와 불순물의 정도에 따라 계는 전도체, 부도체, 그리고 둘 다가 될 수도 있다. 연구팀은 그들의 원자 선이 불균일 광학 도파로와 유사한 면이 있다고 말한다. 그런 면에서 그들의 결과는 광 격자에서 정보 전파를 개선하는 디자인 전략에 도움을 줄 수도 있다고 한다.

페르미의 황금률을 넘어
Synopsis: Going Beyond Fermi’s Golden Rule

양자계는 깨지기 쉽다. 특정한 양자 상태는 일반적으로 시간이 지남에 따라 붕괴하여 다른 상태들로 바뀐다. 이러한 붕괴 과정은 페르미의 황금률로 기술되는데, 이러한 전통적인 기술은 이를테면 들뜬 원자가 광자를 진공으로 방출할 때처럼 양자계가 붕괴하여 도달할 수 있는 무한한 연속 상태의 존재를 가정한다. 최근 Brazilian Center for Research in Physics의 Tobias Micklitz와 연구팀은 양자계의 초기 상태가 유한한 개수의 상태들과 결합하여 그러한 불연속적 상태들로 흩어지는 과정을 보여주는 모형을 만들었다.2) Micklitz는 그들의 모형이 더 복잡한 양자 다체계 모형의 기초가 될 수 있다고 말한다.

페르미 황금률을 따르는 계는 결합세기의 잣대로 보면 한쪽 끝에 있는데, 여기서 계의 초기 상태와 나중 상태의 결합세기는 다양한 나중 상태들 사이의 에너지 틈에 비해 크다. 결합세기 잣대의 다른 한쪽 극한에서는 결합세기가 이러한 에너지 틈보다 매우 작다. 이러한 영역에 있는 계는 초기 상태에 머무르게 되는데, 이는 붕괴하여 도달할 나중 상태가 거의 존재하지 않기 때문이다.

Micklitz와 연구팀은 양쪽 극한의 중간에 해당하는 영역을 연구하였는데, 이러한 중간영역에서는 페르미 황금률과 유사한 거동이 발생한다. 연구팀은 하나의 들뜬 상태가 다른 결합세기와 나중 상태 에너지 스펙트럼에 대해 지속되는 시간-의존 확률을 구하여 예상치 못한 복잡한 결과물을 얻었다. 더욱 놀랍게도 연구팀에 의하면 이러한 중간영역을 해석적으로 완전히 기술할 수 있다는 것이다. 차후 연구팀은 더 어려운 문제인 양자점과 결합한 스핀 앙상블에 그들의 방법을 적용해 볼 계획이다.

특이한 분수 양자 홀 상태
Synopsis: An Exotic Fractional Quantum Hall State

고자기장 하의 낮은 온도에서 이차원 계의 거동은 더 이상 전자의 운동에너지에 따라 좌우되지 않고, 전자 사이 또는 홀 사이 상호작용으로 말미암아 분수 홀 상태 같은 특이한 양자현상을 나타낸다. 이러한 상태는 일반적으로 에너지 준위 혹은 오비탈이 부분적으로 차가 있을 때 관측된다. 통상 ‘부분적’이라고 함은 분모가 홀수인 분수인데, 아주 드물지만, 분모가 짝수인 경우가 (예를 들면 5/2) 높은 채움 준위에서 이따금 나타난다. 그러나 이러한 현상의 근원은 아직 명확하지 않다. 최근 Princeton University의 Chengyu Wang과 연구팀은 이차원 갈륨비소 물질에서 예상치 못한 짝수 분모 상태를 발견하였는데,3) 이는 이런 드문 상태의 근원을 밝히는 것에 이바지할 수 있을 것이다.

연구팀은 알루미늄비소의 두 층 사이에 20 nm 두께의 갈륨비소 층이 끼어있는 양자 우물을 만들었다. 양자 우물의 에너지 밴드갭을 조절하여 높은 밀도의 홀을 가둘 수 있도록 했는데, 이차원 갈륨비소에서는 홀 상호작용이 전자 상호작용보다 강하다. 연구팀은 시료를 20 mK까지 냉각한 후 갈륨비소 층의 채움 레벨을 결정하는 자기장의 세기와 운반자의 밀도를 바꿔가며 소자의 저항을 측정했다. 채움 값 3/4에서 저항값에서 전류 방향으로 국소적인 최소값과 수직방향으로 평탄한 신호가 나옴을 관측하고 짝수 분모의 상태를 확증했다.

Wang과 연구팀은 3/4 상태가 자기 선속과 전자와 홀 사이의 상호작용에서 비롯되었다고 생각하지만, 이 상태를 완전히 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요하다고 말한다. 궁극적으로 이러한 특이 상태를 잘 이해하면 내결함성 위상 양자 컴퓨팅에 응용할 수 있을 것이다.

워터 제트의 패턴을 예측하다
Synopsis: Water-Jet Patterns Predicted

머그잔에 커피를 따를 때 주전자로부터 내려오는 물줄기가 마치 고리가 서로 90도 비틀린 사슬과 같음을 본 적이 있을 것이다. 그런 흐르는 사슬은 일상에 흔히 나타나지만, 그 원인은 아직 완전히 알지 못한다. 최근 University of Amsterdam의 Antoine Deblais와 연구팀은 사슬에서 고리 파장과 진폭이 액체가 흘러나오는 구멍의 크기에 따라 결정됨을 실험적으로 보였다.4) 연구팀의 결과는 잉크젯 프린터로부터 금속제련, 이를테면 비뇨기 질환 같은 인체에 관한 문제까지 폭넓은 응용성을 가진다. Deblais와 연구팀은 물의 층류 제트를 타원형 오리피스를 가진 노즐을 통해 흘려보냈다. 타원의 형태를 조정하여 면적이 0.34에서 4.48 cm2의 12개 다른 크기의 구멍을 만들었다. 그리고 제트로 카메라로 촬영하여 제트의 고리 모양을 알아냈다.

연구팀은 제트 사슬의 진폭과 파장이 오리피스의 크기와 연관되어 있음을 밝혀냈다. 또한, 수치 시뮬레이션을 통해 노즐의 크기와 유량으로부터 고리의 파라미터를 정확히 예측했다.

연구팀의 다음 계획은 물 대신에 산업에서 흔히 사용하는 복잡한 폴리머 용액 같은 다른 용액을 사용하는 것이다. 그리고 오리피스의 모양이 타원이 아니고 이를테면 네모나 별 모양이면 제트의 패턴이 어떻게 변하는지 연구하고 싶어 한다.