양자 물리학자들은 양자 터널링(quantum tunneling) 현상에서 지속 시간을 측정하는 간단한 방법을 고안했다.

양자 터널링은 입자가 침투 할 수없는 장벽의 반대편에 원자 또는 아 원자 입자가 나타날 수있는 현상이다. 마치 길을 걸어 가다가 끝이 안보이는 3미터 높이 장벽을 만난것과 같다. 양자 세계에서는 마치 터널이 벽을 뚫은 것처럼 원자나 전자가 반대편에 나타나는 것이 드물지만 가능하다.

물리학자 팀은 입자가 장벽에 들어가고 터널을 통과해 반대편으로 나오는 순간까지 터널링의 시작부터 끝까지 걸리는 시간을 알아냈다.

관련 연구는 과학저널 네이처(Nature)에 7월 22일(현지시각) 발표됐다.

실험 설정 및 순서 : 광학 도파관과 교차 수직 빔 (ODT)에 의해 형성된 교차 쌍극자 트랩에서 | F = 2, mF = 2⟩ 상태의 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)을 생성한다. 왼쪽, 실험적 설정; 오른쪽, 원자 수준의 계획다. (1) 구름의 유효 온도가 낮아지면 원자는 -z 방향으로 도파관을 따라 펄스 자기장 구배에 의해 전위 장벽과 한 쌍의 라만 빔을 생성하는 청색 디튜닝 된 빔쪽으로 밀려난다. (2) 원자가 장벽을 향해 이동하는 동안 빠른 단열 통로를 사용해 | 2, 0⟩ (| + x⟩) 상태로 전환한다. (3) 장벽과 상호 작용하는 동안 한 쌍의 라만 빔은 6.8GHz 초미세 분할로 분리된 | + x⟩ 및 | −x⟩ 상태를 결합한다. (4) 판독 시퀀스를 수행하기 위해 | −x⟩에 결합 된 원자가 | 2, −1⟩ 상태로 전환 된 후 자기장 구배 B ‘를 적용해 Stern–Gerlach 측정을 수행, 두 상태를 별도로 이미지화한다. credit:nature.

연구의 공동저자인 캐나다 고등연구소(Canadian Institute for Advanced Research)의 양자정보 과학 프로그램 공동 책임자 에프라임 스테인버그(Aephraim Steinberg)는 “양자 터널링은 양자 현상 중 가장 혼란스러운 현상 중 하나”라며 “이제 이런 방식으로 실제로 연구할 수 있다는 것이 놀랍다”고 말했다.

양자 터널링은 양자 물리학의 가장 특징적인 현상 중 하나다. 광합성, 핵융합 프로세스는 물론 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 자력계, 양자컴퓨터 초전도 큐비트에도 활용된다. 스캐닝터널링현미경(STM)은 또한 터널링을 사용해 문자 그대로 고체 표면에 개별 원자를 표시한다.

양자 역학의 법칙은 양자 터널링을 허용하지만, 연구자들은 아 원자 입자가 터널링 과정을 겪는 동안 무슨 일이 일어나는지 정확히 알지 못한다. 실제로 일부 연구자들은 입자가 마치 순간이동 한 것처럼 장벽의 반대편에 순간적으로 나타난다 고 생각했다.

연구자들은 이전에 다양한 결과로 터널링이 발생하는 데 걸리는 시간을 측정하려고했다. 이러한 실험의 어려움 중 하나는 터널링이 시작되고 중지되는 순간을 식별하는 것이다. 방법론을 단순화하기 위해 연구원들은 자석을 사용해 입자가 터널링되는 동안에만 작동하는 새로운 종류의 시계장치를 만들었다.

아 원자 입자는 모두 자기 특성을 가지며 자석 외부 자기장에 있을 때 팽이처럼 회전한다. 회전 양 또는 프레세션(precession)은 입자가 자기장에 갖힌 시간에 따라 다르다. 이에 토론토 그룹은 자기장을 사용해 장벽을 형성했다. 입자의 장벽 내부 프레세션 시간을 측정하는 것은 연구자들에게 그 원자들이 장벽을 통과하는 데 걸린 시간을 알려주었다.

연구원들은 약 8,000개의 루비듐 원자를 절대 영도의 10억분의 1도까지 냉각했다. 이 상태에서 작은 원자를 고정, 무작위 고속운동을 억제했다. 과학자들은 자기 장벽을 만들기 위해 레이저를 사용했다. 그들은 장벽이 1.3마이크로미터(microns) 두께 또는 약 2,500루비듐 원자의 두께가되도록 레이저를 집중 시켰다. 원자 하나의 2500배에 달하는 두께다. 과학자들은 다른 레이저를 사용해 루비듐 원자를 장벽으로 초당 약 0.15인치(4밀리미터/초) 입사했다.

예상대로 대부분의 루비듐 원자는 장벽에서 튕겨 나갔다. 그러나 양자 터널링으로 인해 원자의 약 3%가 장벽을 관통해 반대편에 나타났다. 이러한 원자 회전 량을 기반으로 장벽을 통과하는 데 약 0.6밀리 초가 걸렸다.

양자역학의 다양한 해석에서 아 원자 입자의 궤적을 결정하는 것은 원칙적으로도 불가능하다. 양자 터널링을 탐구하는 실험은 어렵고 이 연구의 의미를 이해하려면 추가 연구가 필요하다. 토론토 그룹은 터널링 시간뿐만 아니라 장벽 내부의 다른 지점에서 원자의 속도를 확인하기 위해 장치 개선을 고려하고 있다.

스테인버그는 “우리는 장벽을 더 두껍게 만들고 다른 깊이에서 회전 양을 결정하는 새로운 측정을 진행하고 있다. 원자의 속도가 일정한지 아닌지를 보는 것은 매우 흥미로울 것”이라고 말했다.