과학자들은 광양자(photons)와 원자(atoms)로부터 ‘하이브리드’ 입자, 물질처럼 작용하는 빛 입자를 만들어냈다.

보통 광양자는 서로 상호작용하지 않는다. 그러나 원자는 광양자 상호작용을 중재하는 데 사용될 수 있다. 우주의 모든 원자 유형은 독특한 지문을 가지고 있다. 그것은 전자의 허용 궤도와 일치하는 특정 에너지에서만 빛을 흡수하거나 방출한다.

미국 시카고대 물리학자들은 광자가 물질을 구성하는 입자와 더 흡사하게 행동함을 밝혔다. 복잡한 과정을 통해 연구원들은 레이저로 전자를 변환하면서 입자 ‘지문’을 바꾸는 방법을 제시했다. 이는 입자들이 분자 수준에서 행동하는 방식을 바꾼다.

조나단 사이먼(Jonathan Simon) 교수 연구실의 이번 연구는 물질이 양자 수준에서 어떻게 작동하는지 등 근본적인 성질을 조사하기 위한 더 큰 연구의 일부다.

연구 논문은 국제 과학 학술지 네이처 7월 3일자에 실렸다.

로건 클라크(Logan Clark) 수석 연구원은 “광양자가 서로 충돌하게하기 위해 우리는 원자를 매개로 사용한다” 라고 말했다. 폴라리톤(polaritons)이라고 알려진 이 하이브리드 입자들은 원자 입자와 빛 입자의 성질을 모두 가지고 있어, 공간을 빠르게 움직일 수 있다.

새로운 입자들은 신기술의 진전과 현존하는 기술들을 발전시킬 수 있는 큰 발전을 예고하고 있다. 컴퓨터 속도를 크게 증가될 수 있는 가능성과 함께 보안 양자 통신 분야 혁신으로 이어질 수 있다.

광양자는 서로 상호작용을 할 수 없다고 알려졌다. 연구진이 만든 폴라리톤 준입자들은 부분적인 빛과 부분적인 존재로 서로 상호작용을 한다. 이를 활용하면 다중모드 광양자 스위칭 등 광 주파수 변환에 사용할 수 있다. 양자 통신 등 양자 정보 기술도 진전이 가능하다.

연구원들은 수년간 극성 물질에 대해 연구해 왔다. 클라크는 “다음 연구는 이 충돌 광양자를 사용해 위상학적 빛의 ‘유체(fluids)’를 만드는 것”이라고 말했다.

한편, 논문에 따르면 하이브리드 입자는 양자정보시스템을 형성할 수 있는 가능성을 제시한다. 여기(excited)된 뤼드베리 원자(Rydberg atoms)를 광 공동(optical cavity)의 빛-물질 결합(light–matter coupling)을 통해 광자를 강한 상호작용을 하는 극성 물질로 변환시킨다. 광학적 광자(optical photons)로 만들어진 양자물질(quantum materials)은 아직 실현되지 않았다. 왜냐하면 적절한 원자표본을 퇴행성 공극(degenerate cavity)와 결합시키는 실험적인 도전은 공동 폴라리톤(cavity polaritons)을 원자 전환에 공명하는 단일 모드로 제약하고 있기 때문이다.

연구에서는 양자계 주기적 변조(Floquet engineerign를 통해)로 강력하게 상호작용하는 극성체가 광학 공동의 다중 공간 모드에 접근할 수 있도록 했다. 첫째, 루비듐의 여기 상태를 주기적으로 변조하면 스펙트럼 중량이 분할되어 일반적으로 원자의 특정 라인을 넘어 새로운 선이 생성된다는 것을 보여 준다. 변조 주파수의 배수로 구분된다. 둘째로, 이 기능을 사용, 비파괴 광학 공동(non-degenerate optical cavity) 의 두 개의 선택된 공간 모드로 공명하는 스펙트럼 라인을 동시에 생성하여 ‘플로켓 폴라리톤(Floquet polaritons)’이라고 명명된 것을 두 모드 모두에 존재할 수 있게 한다.

두 스펙트럼 라인은 동일한 플로케 엔지니어링 원자 상태에 해당하기 때문에, 단일 주파수 필드를 추가하면 두 모드를 모두 리드버그 여기(Rydberg excitation)에 결합하기에 충분하다. 이는 결과적으로 폴라리톤이 두 공극 모드에서 동시에 강하게 상호 작용한다는 것을 증명한다.

*논문제목 : Interacting Floquet polaritons

*저자 : Logan W. Clark, Ningyuan Jia, Nathan Schine, Claire Baum, Alexandros Georgakopoulos & Jonathan Simon

DOI: 10.1038/s41586-019-1354-5