양자 세계에 대한 새로운 문이 열렸다.

원자가 전자의 양자 도약(quantum leap) 을 통해 에너지를 흡수하거나 방출 할 때, 원자는 무거워지거나 가벼워진다. 이것은 아인슈타인의 상대성 이론으로 설명할 수 있지만 단일 원자에서의 영향은 미미하다.

독일 하이델베르크 막스 플랑크 원자물리 연구소(Max Planck Institute for Nuclear Physics) 클라우스 블룸(Klaus Blaum)과 세르게이 엘리제브(Sergey Eliseev) 팀은 처음으로 개별 원자 질량의 무한히 작은 변화를 성공적으로 측정했다. 그들은 하이델베르크에있는 연구소에서 초정밀 펜타트랩( PENTATRAP) 원자 저울 또는 광학적 시계(optical clocks)를 사용했다.

연구팀은 이전에 관찰되지 않은 레늄(rhenium)에서 양자 상태를 발견했다. 극도로 민감한 원자 벨런스는 복잡한 양자 세계의 무거운 원자를 더 잘 이해할 수있게한다.

실제로 기계식 시계를 감으면 더 무겁게된다. 스마트 폰을 충전 할 때도 마찬가지다. 이것은 에너지(E)와 질량(m)의 동등성으로 설명 할 수 있는데, 아인슈타인은 물리학에서 가장 유명한 공식 ‘E = mc^2(c : 진공에서 빛의 속도)’로 표현했다. 그러나 이 효과는 너무 작아서 일상적인 경험의 영역을 벗어난다. 기존 저울은 이를 감지 할 수 없다.

과학자들은 펜타트랩(Pentatrap)을 통해 전자의 양자 도약(quantum jump)에 따른 에너지 흡수 또는 방출에서 단일 원자 질량의 작은 변화를 측정할 수있었다. 원자의 전자 껍질에서 이러한 양자 도약은 광합성 및 일반적인 화학 반응, 색과 시각 등 물리 세상을 형성한다.

코끼리 위 개미

막스플랑크 핵물리 연구소 박사후 연구원 리마 슈슬러(Rima Schüssler)는 펜타트랩을 구축하는 데 기여했다. 공동연구의 주저자로 참여한 그녀는 레늄을 통해 이전에 발견되지 않은 특별한 특성을 가진 전자 양자 상태가 있음을 밝혔다.

슈슬러는 펜타트랩이 레늄 원자의 질량 변화를 통해 전자가 양자 도약하는 것을 감지할 수있는 감도에 대해 “6 톤 코끼리의 무게를 측정해 십 밀리그램 개미가 그 위를 기어 다니고있었는지를 알수 있었다”는 비유했다.

펜타트랩은 5개의 트랩(radio-frequency traps)으로 구성된다. 이러한 트랩이 원자를 계량할 수 있으려면 전기적으로 충전돼야한다(즉, 이온이 됨). 레늄은 75 개 전자 중 29개를 벗겨냈기 때문에 높은 충전 상태에 있다. 이는 측정 정확도를 크게 향상시킨다. 트랩은 자기장과 특수한 전기장의 조합으로 높게 하전된 레늄 이온을 포착한다. 내부에서는 원형 경로로 이동하며 복잡하게 꼬인다. 원칙적으로, 그것은 공중에서 회전하는 밧줄에 매달린 공으로 생각할 수 있다. 일정한 힘으로 이 작업을 수행하면 무거운 볼이 가벼운 볼보다 느리게 회전한다.

매우 정교한 펜타트랩은 여기된 양자 상태 및 바닥 상태의 이온을 비교해 측정할 수 있다. 불확실성을 최소화하기 위해, 이온은 비교 측정을 위해 다른 트랩 사이에서 앞뒤로 움직인다.

펜타 트랩에서는 두 개의 레늄 이온이 적층된 트랩에서 교대로 회전한다. 하나의 이온은 에너지적으로 가장 낮은 양자 상태에 있었다. 제 2이온이 생성될 때, 에너지를 공급함으로써 전자가 무작위로 더 높은 상태로 여기됐다. 저장된 에너지 때문에, 그것은 약간 무거워져서 첫 번째 이온보다 느리게 회전했다. 펜타 트랩은 시간당 회전 수를 정확하게 계산한다. 회전 수의 차이로 인해 무게가 증가했다.

이 방법을 사용해 연구팀은 레늄에서 수명이 매우 긴 양자 상태를 발견했다. 준안정성(metastable) 즉, 특정 수명이 지나면 부패하는 상태다. 졸탄 하만(Zoltán Harman)과 크리스토프 케이텔(Christoph H. Keitel) 등 하이델베르크대학교 및 파리 ‘Kastler Brossel Laboratory’ 연구소 이론가 계산에 따르면 130 일이다. 양자 상태의 위치는 또한 최신 양자 역학적 방법을 사용한 모델 계산과 상당히 일치한다.

일반적으로, 새로운 원자 저울은 더 무거운 원자의 양자와 같은 내부에 새로운 접근을 제공한다. 이들은 전자, 양성자 및 중성자와 같은 많은 입자로 구성돼 있기 때문에 정확하게 계산할 수 없다. 따라서 이론적 계산을 위한 원자 모델은 단순화를 기반으로 매우 정확하게 확인할 수 있다. 알려지지 않은 입자를 찾기 위해 프로브 처럼 원자를 사용할 수도 있다. 이는 매우 약한 중력에 의해서만 탐지될 수 있다. 암흑 물질(dark matte)은 물리학의 미해결 미스터리 중 하나다.

연구는 6일 과학저널 네이처에 개제됐다.

*R. X. Schüssler et al. Detection of metastable electronic states by Penning trap mass spectrometry, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2221-0