스커미온의 탄생을 목격하다
Viewpoint: Witnessing the Birth of Skyrmions

연구자들은 카이랄 네마틱 액정의 얇은 층을 사용하여 스커미온의 형성 동역학을 관찰했다.

스커미온은 위상적으로 안정적이고 소용돌이와 같은 마당 구성으로 균일한 상태로 원활하게 변형될 수 없다. 1961년 물리학자 Tony Skyrme가 핵자의 모형으로 처음 제안한 이 개념은 그 이후로 응집 물질 물리학과 인접한 분야에서 연구되어 왔다. 특히 스커미온은 자성, 보스-아인슈타인 응축물, 양자 홀 시스템, 액정 및 기타 맥락에서 연구되었다. 스커미온은 작은 크기, 안정성 및 제어 가능성과 같은 매력적인 특성을 나타내며, 이는 스핀트로닉스, 데이터 저장 및 양자 컴퓨팅 분야에 응용할 수 있는 큰 잠재력을 제공한다. 다양한 시스템에 대한 광범위한 조사에도 불구하고 스커미온 형성에 대한 실시간 관찰은 빠른 동역학과 생성되는 실험 조건의 좁은 범위 때문에 달성하기가 어려웠다. 현재 슬로베니아의 Jozef Stefan 연구소의 Jaka Pišljar와 동료들은 카이랄 액정에서 분수 스커미온, 특히 반(半)스커미온이 형성되는 것을 목격했다.

액정은 특히 실험적 접근성과 관련하여 다른 매체에 비해 이러한 시스템의 고유한 이점으로 인해 최근 스커미온을 조사하는 연구자들 사이에서 관심을 받고 있다. 예를 들어, 액정은 광학 현미경으로 직접 관찰할 수 있으며, 온도에 따른 상전이를 통해 조작할 수 있다. 이러한 특성은 위상 현상과 이를 발생시키는 조건을 쉽게 생성하고 특성화할 수 있음을 의미한다. 이러한 조건 중 중요한 것은 카이랄성이다. 스커미온을 생성하려면 액정이 뚜렷한 “손잡이”를 가진 분자로 구성되어야 한다. 그러한 분자들은 각각의 분자 사이에 약간의 비틀림으로 쌓여 나선형 계단처럼 높이에 따라 방향이 달라지는 나선형 구조를 형성한다. 이러한 맥락에서 스커미온은 나선 배열 내의 위상 구조(마당 방향의 국부적 편차로 인해 주변 질서의 대칭이 깨지는 영역)이며, 액정의 등방성 단계에서 나선 구조 단계로 전환하는 동안 형성된다. 카이랄 액정에서 스커미온을 생성하고 제어하기 위한 많은 연구가 수행되었지만, 이러한 복잡한 3차원 구조가 어떻게 자발적으로 형성되는지는 여전히 불분명하다.

Pišljar와 공동 연구자들은 카이랄 액정 박막을 두 개의 평행하지 않은 유리 표면 사이에 끼워 액정 박막의 두께가 ~30~수백 nm에서 달라지도록 하는 일련의 실험을 수행했다. 이러한 유리 표면은 폴리메틸 메타크릴레이트로 코팅되어 평면-겹침 고정 조건을 제공하며, 이는 표면 상호작용이 액정에 의해 채택된 순서에 최소한의 영향을 미친다는 것을 의미한다. 연구진은 360 nm와 710 nm의 피치를 가진 두 개의 액정 제형을 사용했다(피치는 나선 구조가 한 번의 완전한 회전을 완료하기 위해 가져야 하는 길이를 정의한다). 그들은 액정이 등방성 상에서 구조화 상으로의 전이를 통해 냉각될 때 액정의 질감을 관찰하기 위해 ~150 nm의 광학 분해능을 가진 회절 제한 광학 현미경을 사용했다.

이러한 전이는 간단한 것이 아니다. 등방성 상과 최종적으로 완전히 정렬된 구성 사이에서 냉각 액정은 청색 상이라고 불리는 중간 네마틱 상태의 범위를 통과한다(그들의 특징적인 반사 특성에 따라 이름 지어짐). 이러한 중간 단계 중 하나인 소위 청색 단계 I (Blue Phase I, BPI)에서 Pišjar와 동료들은 반스커미온이라고 불리는 위상 구조의 형성을 직접 관찰했다. 전(全)스커미온은 중심에서 주변으로 마당 방향이 360도 방향 회전을 나타내는 반면, 반스커미온에서는 마당이 180도 회전한다.

연구팀은 등방성-BPI 전이를 통과한 직후 액정 박막(~90 nm)의 두꺼운 영역에서 이러한 반스커미온 물리가 형성되는 것을 관찰했다. 위상학적 특징은 주변과 국소적인 마당 방향이 다른 길쭉한 영역으로 시작되었다. 그러고 나서 이 영역들은 초승달처럼 휘어져서 그 끝이 만날 때까지 굽힘을 계속했고, 이 시점에서 그것들은 가로 약 100‒300 nm의 고리 도넛과 같았다. 박막이 70 nm보다 얇은 곳에서는 안정적인 반스커미온이 형성되지 않았다. 그곳에서 Pišljar와 동료들은 도넛 같은 반스커미온이 자발적으로 달과 같은 형태로 변화하거나 그 반대로 변화하기 때문에 밝고 둥근 영역이 깜박이는 것을 관찰했다.

연구팀은 산란된 빛의 세기에 따라 물질의 변화를 측정하는 차동 동적 현미경을 사용하여 반스커미온이 ~10~100 Hz의 속도로 변동하는 것을 확인했다. 이러한 동역학은 등방성-BPI 전이 근처에서 약 10⁶ Hz로 변하는 액정 질서의 척도인 네마틱 질서 매개변수의 동역학보다 훨씬 느리다. Pišljar와 공동 연구자들은 작은 에너지 장벽으로 분리된 파라네마틱(달 모양) 또는 스커미온(도넛 모양) 구조를 나타내는 대칭이 깨진 두 자유 에너지 최솟값 사이의 깡충 뛰기 시간을 계산하여 이러한 변동률의 차이를 설명한다. 마지막으로, 그들은 이 변동이 무질서한 위상의 연속적인 대칭을 깨뜨릴 뿐만 아니라 달 모양과 도넛 모양의 특징이 각각 0과 1의 위상 전하를 갖기 때문에 방향 마당의 위상을 변화시킨다는 것을 보여준다. 위상 전하는 보존된 양이며, 따라서 방향 마당은 항상 위상 전하 중립적일 것으로 예상되기 때문에 이는 놀라운 일이다. 연구진은 액정이 이러한 과도기 체제에서 냉각됨에 따라 안정적인 반스커미온이 대량으로 형성된 다음 함께 합쳐져 위상 전하 중립성을 회복한다는 것을 보여준다.

매우 얇은 액정 박막에서 스커미온 변동이 관찰될 수 있다는 Pišljar와 공동 연구자들의 입증은 액정에서 매듭 네마틱 마당이 있는 위상적으로 사소하지 않은 구성인 스커미온, 홉피온(hopfion) 및 트위스티온(twistion)과 같은 위상적 솔리톤 형성의 실시간 역학을 연구하기 위한 새로운 접근 방식을 제공한다. 그들의 연구는 자성, 스핀트로닉스 및 위상론을 포함한 많은 분야로 확장되는 응용 분야와 함께 다양한 연성 물질 및 자기 시스템에서 발생하는 위상체와 위상 상전이의 근본적인 특성을 연구하는 데 귀중한 관점을 제공할 것이다.

Dynamics and Topology of Symmetry Breaking with Skyrmions, J. Pišljar, A. Nych, U. Ognysta, A. Petelin, S. Kralj, and I. Muševič, Phys. Rev. Lett. 132, 178101 (2024), Published April 22, 2024.

우주의 위상은 간단하지 않을지도 모른다
Focus: The Universe’s Topology May Not Be Simple

일부 이색적인 모형을 포함하여 우주의 전체적인 모양과 기하학적 구조에 대한 대부분의 모형은 최신 우주 관측과 양립된다.

우주는 단순히 구처럼 연결되어 있습니까, 아니면 도넛 같은 구멍이나 더 복잡한 구조를 포함하고 있습니까? 우주론자들의 공동 연구에 따르면 우주의 위상, 즉 전체 기하학은 아직 정착되지 않은 상태로 남아 있다. 우주 마이크로파 배경(CMB)의 관측이 다양한 위상을 배제한다는 과거의 주장에도 불구하고, 연구자들은 일부 이상한 모양을 포함한 이러한 모양의 많은 부분이 증거와 모순되지 않는다고 주장한다.

우주의 전체적인 기하학적 구조는 빅뱅의 초기 순간에 펼쳐진 양자 과정에 의해 결정된 것으로 생각된다. 우주의 위상을 확인하는 것은 연구자들에게 이러한 양자 과정의 본질에 대한 중요한 단서를 제공하고 초기 우주에 대해 제안된 많은 이론을 검토하는 데 도움이 될 수 있다.

주어진 위상수학은 시공간의 연결성을 설명한다. 우주가 가질 수 있는 사소하지 않은 위상수학 중에 3-도넛꼴(원환체)이 있다. 하나를 그리려면, 한 쌍의 반대쪽 면이 서로 마주볼 때까지 구부린 다음 그것들을 붙여 정육면체를 왜곡하는 것을 상상해 보라. 그리고 다른 두 쌍도 똑같이 상상해 보라. 이전에 무한대로 나갔던 정육면체의 중심에서 나온 시선은 이제 닫힌 고리를 통해 정육면체의 중심으로 되돌아올 것이다.

닫힌 고리는 우주를 묘사할 수 있는 다른 위상에서도 등장하며, 그것들은 하늘의 다른 부분에서 우주의 같은 부분을 관찰하는 것과 같은 착시 현상으로 이어질 수 있다. 그러나 각 위상과 관련된 길이 척도(예를 들어 닫힌 고리의 직경)가 있으며, 길이 척도가 너무 크면 동일한 우주 이웃에 대한 여러 보기가 불가능할 수 있다. 빅뱅 이후 일부 빛이 우리에게 도달하기에 충분한 시간이 없었을 수도 있기 때문에, 즉 길이 척도가 우리가 볼 수 있는 가장 오래된 빛의 근원까지의 거리인 “CMB 지평선”을 초과할 수도 있기 때문에, 그 착시는 나타나지 않았을 수도 있다.

최근 수십 년 동안 CMB의 전체 하늘 지도는 젊은 우주에 대한 자세한 시각을 제공했지만 닫힌 고리를 나타낼 수 있는 반복 무늬(상관 관계)의 징후는 없다. CMB에서 우주의 위상을 찾는 것은 10년 전에 끝나지는 않았지만 가능성이 없어 보인다. 그러나, 작년에 스스로를 COMPACT 협력이라고 부르는 국제 우주론자 그룹이 그 탐구를 부활시켰다. 이제 COMPACT의 첫 번째 출판물에서 연구자들은 특정 이색적인 위상이 실제로 CMB 관측과 일치하며 실제로 지금까지 가능한 위상의 극히 일부만 탐구되었음을 보여준다.

수학적으로 가능한 유클리드 (평평면) 공간의 18개 위상을 모두 고려하는 대신, COMPACT 협력은 E1이라고 불리는 3-도넛꼴과 그 확장 중 두 개인 E2(E1의 180° 꼬인 형태)와 E3(E1의 90° 꼬인 형태)에 초점을 맞추기로 결정했다. 그들의 추론: 이러한 비교적 단순한 위상조차도 배제되지 않으면 다른 더 복잡한 위상도 경쟁자로 남을 가능성이 높다.

COMPACT 협력의 계산에 따르면, 예상대로 3-도넛꼴 E1의 특성 척도가 CMB 지평선보다 작으면 현재 관측에서는 제외된다. 그러나 E2와 E3는 CMB 지평선보다 훨씬 작더라도 여전히 작동하는 것으로 나타났다. 그것은 그들의 연결성이 비틀림을 포함하기 때문이다. 뒤틀린 닫힌 고리를 통해 보는 우주의 한 영역은 서로 다르지만 상관 관계를 유지하는 두 개의 관점을 자체적으로 생성할 것이다. 그 상관 관계가 CMB에서 감지 가능한 위상학적 지문을 생성하는지 여부를 결정하는 것은 그 다음 공동 작업의 의제이다.

미국 Columbia University의 우주론자 Oliver Philcox는 우주의 위상이 여전히 미해결 문제로 남아 있다는 데 동의한다. “우주가 위상학적으로 연결될 수 있는 많은 가능한 방법들이 있고, 그것들을 배제하기는 어렵습니다.”라고 그는 말한다.

Promise of Future Searches for Cosmic Topology, Yashar Akrami et al. (COMPACT Collaboration), Phys. Rev. Lett. 132, 171501 (2024), Published April 26, 2024.