과학자들이 보손(bosons) 입자의 한 종류가 페르미온(fermions) 입자의 반작용 입자로 작용할 수 있다는 것을 발견했다.

미 육군 연구 프로젝트에 참여한 과학자들은 1차원 가스에서 보손 사이의 내부 상호작용이 매우 강력할 때, 속도 분포는 1차원에서 팽창할 때 비-상호작용하는 페르미온 가스로 변환함을 제시했다.

양자 장치와 양자 컴퓨터 개발에 대한 주요 통찰을 제시한 관련 연구는 최근 사이언스(Science) 저널에 발표됐다.

연구는 미국 펜실베니아주립대(Penn State University)와 미 육군 전투 능력 개발 사령부의 육군 연구실(U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory) 산하 ARO(Army Research Office)에서 진행됐다.

ARO 원자 및 분자 물리학 프로그램 매니저 폴 베이커(Paul Baker) 박사는“원자 클록, 양자 컴퓨터 및 양자 시스템의 성능은 선택된 시스템의 특성을 적절히 선별한 것에 의존한다. 이 연구는 시스템 크기를 적절하게 제한함으로써 시스템 통계가 변경될 수 있음을 보여준다. 기본 원리에 대한 이해를 증진시키는 것 외에도, 이 발견은 보손에서 페르미온 기반 시스템으로 역동적 변환하는 방법 등 군사적 필요에 부응한다”고 말했다.

연구자들은 보손이 1차원으로 팽창할 때 원자의 선이 더 길게 퍼지면 페르미온 바다를 형성 할 수 있다는 것을 실험적으로 입증했다. 펜실베니아주립대 물리학 교수이자 연구팀의 리더 중 한 명인 데이비드 와이스(David Weiss)는“자연의 모든 입자는 스핀에 따라 고전 물리학에서 실질적으로 유사하지 않은 양자 특성에 따라 두 가지 유형 중 하나를 선택한다. 스핀이 전체 정수인 보손은 같은 양자 상태를 공유 할 수 있지만, 스핀은 반 정수(half integers)인 페르미온은 할 수 없다. 입자가 차갑거나 밀도가 높으면 보손은 페르미온과 완전히 다르게 거동한다. 보손은 BEC(Bose-Einstein condensate)를 형성하는 반면, 페르미온은 이용 가능한 상태를 하나씩 채우면서 소위 페르미 바다(Fermi sea)를 형성한다”고 설명했다.

연구팀은 레이저 광선을 사용해 원자를 포획하는 광학 격자를 사용해 보손 원자(보손 가스)로 구성된 초저온 1차원 가스 어레이를 만들었다. 광 트랩에서 시스템은 평형 상태에 있으며 강하게 상호 작용하는 보손 가스는 페르미온과 같은 공간 분포를 갖지만 여전히 보손의 속도 분포를 갖는다.

연구원들이 가두는 광선 일부를 차단하면 원자가 한 차원으로 확장된다. 이 팽창 동안, 보손 속도 분포는 페르미온과 동일한 것으로 부드럽게 변형된다.

와이스 박사는“일차원 가스의 역학을 완전히 이해 한 다음 점차적으로 가스를 덜 통합할 수 있게 함으로써 역동적 양자 시스템에서 보편적 원리를 찾아 낼 수 있기를 희망한다”고 말했다.

역동적이고 상호 작용하는 양자 시스템은 기본 물리학의 중요한 부분이다. 또한 양자 시뮬레이터와 양자 컴퓨터를 포함해 많은 실제 및 제안된 양자 장치가 이에 기반을 두고 있기 때문에 기술적으로 관련성이 높아지고 있다.

미국 국립 과학재단(NSF)은 ARO와 함께 연구 자금을 지원했다.

* Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le, Yicheng Zhang, Marcos Rigol, David S. Weiss. Observation of dynamical fermionizationScience, 2020; 367 (6485): 1461 DOI: 10.1126/science.aaz0242