물결파 없애는 법
Focus: Vanishing Act for Water Waves

수로 옆면의 구멍은 물결파를 완전히 흡수할 수 있어 해안선을 보호하기 위한 새로운 기술을 제안한다.

만약 물, 빛, 소리의 파동이 완벽한 흡수체라고 불리는 가상의 물체에 충돌한다면, 그것들은 반사되지도 않고 투과되지도 않고 그냥 사라질 것이다. 연구자들은 이제 좁은 수로를 따라 이동하는 일반적인 물결파를 사용하여 완벽한 흡수를 입증했다. 물결파는 수로 옆면에 만든 구멍에서 반사되어 상쇄된다. 추가적인 개발로 연구자들은 이 효과가 해안선 근처에 배치된 일련의 요소를 사용하여 침식을 줄이거나 민감한 구조물을 보호하는 데 사용될 수 있다고 믿고 있다.

“우리는 강에서 물결파를 통제하거나 흡수하거나 해안선을 보호할 필요성에 의해 동기부여를 받았습니다. 파동 에너지를 완전히 흡수하는 것이 방향을 바꾸는 것보다 훨씬 더 좋고, 아마도 그러한 에너지를 수확하는 것을 상상할 수도 있습니다.”라고 프랑스 파리 ESPCI의 수리 물리학자 Agnes Maurel은 말한다.

하지만 완벽한 흡수를 달성하는 것은 쉽지 않다. 지난 몇 년 동안 빛이나 소리의 파동을 연구하는 연구자들은 완벽한 흡수에 가까운 무언가를 보여주었다. 그러나 그 누구도 물결파의 완벽한 흡수체를 만들어 내지 못했다.

Maurel과 동료들은 그들의 최근 수학적 연구를 바탕으로 새로운 접근법을 시도하도록 영감을 받았으며, 이는 들어오는 물결파가 상호작용하는 특정 유형의 공진 구조를 설계함으로써 완벽한 흡수를 달성할 수 있음을 보여주었다. 이 연구는 직선 수로를 따라 이동하는 파동에 대해 이러한 구조가 지나가는 파동에 의해 들뜰 때 전진 및 후진하는 파동을 완벽하게 상쇄하는 2차 파동을 방출한다는 것을 보여주었다.

이 이론을 실제로 입증하기 위해 Maurel과 동료들은 두 단계 절차를 따랐다: 먼저 그들은 구멍이 특정 주파수에서 어떻게 투과를 없앨 수 있는지 분석한 다음, 그들은 동일한 주파수에서 반사를 없애도록 설정을 미세 조정했다. 그들은 길이 1.4 m, 너비 6 cm, 깊이 5 cm의 수로를 고려했다. 마찰로 인한 에너지 손실이 없는 이상적인 유체에 대한 방정식에서 시작하는 예비 계산에서 그들은 수로의 옆면에 만든 두 개의 작은 구멍이 필요한 공명 공간 역할을 할 수 있음을 보여주었다. 이 계산은 두 개의 구멍이 수로 벽에서 4 cm만큼 떨어져 있고 수로를 따라 3 cm만큼 뻗어 있는 동일한 크기라고 가정했다. 연구팀이 연구한 주파수 범위의 파동에 대해 이 계산은 2.7 Hz와 3.3 Hz에서 투과가 없음을 예측했다.

그런 다음 연구팀은 이러한 예측을 실험실의 물결파로 검사했다. 예측과 밀접하게 일치하여 연구자들은 주파수에 따른 투과 곡선에서 두 개의 감소를 발견했다. 첫 번째는 거의 0에 가까워지고 두 번째는 약 40%에 이르렀다. 이론과의 불일치는 유체의 마찰 손실과 분석에 사용된 근사치를 반영한다고 연구자들은 말한다.

반사가 심했기 때문에 이 배열은 어느 주파수에서도 완벽한 흡수를 나타내지 않았다. 그러나 연구자들은 두 개의 구멍을 변형시켜 하나를 다른 하나보다 수로 벽에서 약간 더 멀리 연장시킴으로써 2.9 Hz에서 완벽한 흡수(투과와 반사가 없음)를 달성할 수 있다는 것을 발견했다. 그렇게 하려면 투과와 반사가 정확히 같은 주파수에서 나타나지 않도록 하기 위해 정확한 구멍의 비대칭에 대한 약간의 시행착오를 통한 조정이 필요했다.

Maurel과 동료들은 해안가를 침식으로부터 보호하기 위한 실용적인 시스템에 사용하기 위해 이 아이디어를 개발하기를 희망한다. “유도파에 대해 우리가 입증한 메커니즘은 바다에서 일종의 보호 띠로 확장될 수 있습니다.”라고 그녀는 말한다.

광범위한 응용 분야의 파동 전파 전문가인 영국 런던 Imperial College의 Sébastien Guenneau는 “중요한 논문입니다.”라고 말한다. “가까이 떨어져 있는 두 개의 물 구멍은 서로 이야기를 나누고 자동차 엔진의 피스톤처럼 작용합니다.” 왜냐하면 그들의 수위는 정확히 위상이 반대인 진동을 하는 경향이 있기 때문이다. 그는 “물이 넘치는 위험을 줄이고 물을 가둘 수 있는 새로운 유형의 제방”과 같은 응용 분야를 예견한다. 그리고 그는 공진 구조물이 또한 해양파 에너지를 수확하는 데 사용될 수 있다고 말한다.

Perfect Resonant Absorption of Guided Water Waves by Autler-Townes Splitting, L.-P. Euve, K. Pham, R. Porter, P. Petitjeans, V. Pagneux and A. Maurel, Phys. Rev. Lett. 131, 204002 (2023), Published November 17, 2023.

전자 결정이 동력학을 드러내다
Synopsis: Electron Crystal Reveals Its Dynamics

연구자들은 원자가 아닌 전자로 만들어진 결정 상태인 고도로 정렬된 위그너 고체의 전기 수송 특성을 정확하게 측정했다.

강한 자기장에 노출되면 2차원 전자계는 위그너 고체라는 결정구조를 형성할 수 있다. 과학자들은 무질서한 위그너 고체는 만들었지만 질서정연한 고체를 생산하는 데 어려움을 겪어왔다. 이제 미국 Princeton University의 Pranav Madathil과 그의 동료들은 초고품질 전자 시스템을 사용하여 정렬된 위그너 고체를 만들고 연구할 수 있다는 것을 증명하면서 이 장애물을 극복했다. 연구팀은 이 시스템이 그러한 결정의 이론적 모형을 시험하고 개선하는 데 사용될 수 있을 것이라고 말한다.

Madathil과 동료들은 박막에 양자 우물로 알려진 구조의 정확한 모양을 포함하는 반도체 박막의 층별 성장을 조정할 수 있었다. 이 구조는 위그너 고체를 만들기 위한 전제 조건인 밀도가 낮고 이동성이 높은 2차원 전자 시스템을 수용하도록 설계되었다. 예측 결과에 따라, 연구팀은 이 전자계를 절대영도에 가까운 온도로 냉각시킨 다음 강력한 자기장을 가하여 질서정연한 위그너 고체를 실현했다.

다음으로, 연구원들은 위그너 고체에 전류를 인가하고 전류의 세기가 결정의 두 가지 전기-수송 특성, 즉 차동 저항과 전기 잡음에 어떤 영향을 미치는지 측정했다. 그들은 전류의 세기가 커짐에 따라 위그너 고체가 세 단계를 지난다는 것을 발견했는데, 각각의 단계는 차동 저항과 전기 잡음 특성으로 식별할 수 있다. 결정은 변하지 않는 상태를 유지하는 첫 번째 단계에서는 전기 절연체였지만 자유롭게 움직일 수 있는 다른 두 단계에서는 전기 도체였다.

Moving Crystal Phases of a Quantum Wigner Solid in an Ultra-High-Quality 2D Electron System, P. T. Madathil, K. A. Villegas Rosales, Y. J. Chung, K. W. West, K. W. Baldwin, L. N. Pfeiffer, L. W. Engel and M. Shayegan, Phys. Rev. Lett. 131, 236501 (2023), Published December 5, 2023.

불확정성 원리를 벗어난 불확정성
Synopsis: Uncertainty beyond the Uncertainty Principle

오래된 이론의 새로운 확장에 따르면, 입자의 운동량을 동시에 측정하지 않더라도 입자의 위치를 정확하게 측정할 수 없다.

Heisenberg의 불확정성 원리는 맞바꿈 관계가 아닌 두 관측량이 동시에 측정될 수 있는 정밀도를 제한한다. Wigner-Araki-Yanase (WAY) 정리는 여기서 더 나아간다. 관측량 A와 B가 맞바꿈 관계가 아니고, 관측량 A가 보존되면 A를 전혀 측정하지 않더라도 관측량 B를 임의의 정밀도로 측정할 수 없다. 원래의 1960년 공식에서 WAY 정리는 스핀과 같은 관측 가능한 값이 띄엄띄엄하고 유한한 것에만 적용되었다. 이제 일본 Kyushu University의 Yui Kuramochi와 University of Electro-Communications의 Hiroyasu Tajima는 WAY 정리가 연속적이고 무한한 위치와 같은 관측량들도 포함한다는 것을 증명했다. 이러한 관측량들을 다루는 방법에 대한 수십 년간의 문제를 해결하는 것 외에도, 그 확장은 양자 광학에서 실용적인 응용을 찾을 것이다.

WAY 정리를 확장하는 어려움은 무한한 관측량 L을 무한한 고유값을 갖는 무한 차원 행렬로 표현하는 방법에서 비롯되었다. 문제를 길들이기 위해 Kuramochi와 Tajima는 L을 직접적으로 고려하는 것을 피했다. 대신, 그들은 일변수 유니테리 군을 형성하는 L의 지수 함수를 보았다. 지수 함수도 무한이지만, 그 고유값 스펙트럼은 복소평면의 단위 원 안에 포함된다. 그러한 경계성 덕분에, Kuramochi와 Tajima는 그들의 증명을 완성하기 위해 양자 정보의 기존 기술을 계속 사용할 수 있었다.

운동량은 보존되기 때문에 확장된 WAY 정리는 운동량을 동시에 측정하지 않더라도 입자의 위치를 임의의 정밀도로 측정할 수 없다는 것을 의미한다. 비슷한 쌍의 관측량이 양자 광학에서도 나타난다. Kuramochi와 Tajima는 그들의 정리가 양자 버전의 전송 규약이 고전적인 규약을 능가할 수 있는 정도에 대한 한계를 설정하는 데 유용할 것으로 예상한다.

Wigner-Araki-Yanase Theorem for Continuous and Unbounded Conserved Observables, Yui Kuramochi and Hiroyasu Tajima, Phys. Rev. Lett. 131, 210201 (2023), Published November 21, 2023.