파울리 배타 원리(Pauli Exclusion Principle)는 양자 역학의 가장 중요하고 잘 연구된 결과 중 하나다.

1924년 볼프강 파울리가 제창한 이 양자 역학적 원리는 전자와 같은 입자인 두 개의 동일한 페르미온(fermions)이 같은 양자 상태를 차지할 수 없다고 말한다.

이것이 영향을 미친 중대한 결과 중 하나는 원자의 구조다. 배타 원리는 전자가 핵 주위의 다른 궤도를 차지하도록 한다. 이런 종류의 자기 정렬은 원자가 부피를 갖는 이유와 그 중 두 개가 동시에 같은 장소에 있을 수없는 이유다. 대부분 비어있는 아 원자로 구성된 물질 세계에서 우리가 벽을 통과할 수 없는 이유다.

최근 물리학자들은 원리의 다른 미묘한 결과에 대해 생각하기 시작했다. 다른 상황에서 페르미온들이 갇히면 특이하고 독특한 기하학적 결정을 형성해야 한다고 예측했다.

물론 이러한 상황이 발생하기 어렵다. 실제로 지금까지 아무도 파울리 결정(Pauli Crystals)을 관찰 할 수 없었다.

독일 하이델베르크 대학교(Heidelberg University)의 마빈 홀튼(Marvin Holten)과 동료들은 처음으로 파울리 결정을 관찰했다고 밝혔다. 홀튼과 동료들이 “스펙트럼 기하학적 구조”라고 부르는 것을 만들어내는 놀라운 일이다.

자기 주도 현상

입자 사이의 상호 작용으로 구조가 나타나는 일반적인 결정과 달리 파리 결정에서는 상호 작용이 없는 상태에서 자체 정렬이 나타난다. 이러한 완전한 상호 작용 부재로 인해 실험을 설정하기가 어렵다.

가장 잘 알려진 페르미온은 배제 원리의 미묘한 자기 질서 효과를 압도하는 강력한 음전하를 가지고 있다. 그러나 일부 원자는 복합 페르미온이며 전기적으로 중성이다. 이 중 하나는 리튬 -6다.

원칙은 비교적 간단합니다. 이 팀은 레이저를 사용해 초고온 리튬 -6 원자 구름을 평평한 2차원 층에 고정했다. 리튬 -6 원자는 가장 낮은 에너지 상태로 냉각돼 배제 원리를 따르고 특정 패턴으로 자기 정렬 해야한다. 물론 모든 구름에는 항상 다른 상태의 원자가 있다.

따라서 요령은 같은 상태에 있는 원자들만 동시에 관찰할 수 있는 방법을 찾는 것이다. 이것은 원자의 상태가 방출하는 빛의 파장을 결정하기 때문에 가능하다. 특정 파장의 방출 된 빛을 찾아 특정 상황에서 모든 원자의 위치를 특정 상황에서 사진을 찍을 수 있고 다른 것을 무시할 수 있다.

연구팀은 이를 인상적인 규모로 제시했다. 이미지들 2만 개를 취한 다음 배제 원리에 따라 올바른 수의 원자를 보여주는 것을 선택한다. 원자 구름의 전체 운동량을 빼고 이미지가 올바르게 정렬되도록 이미지를 회전시키기 위해 추가 처리를 한 후, 팀은 수천 장의 사진을 겹쳐서 원자의 운동량 분포를 나타낸다.

홀튼과 동료들은 “파울리의 원리로 인해 서로를 피하고 파울리 결정으로 불리는 기하학적 구조를 정확하게 형성한다.흥미롭고 아름다운 결과이며 잠재력이 큰 결과”라고 말했다.

연구팀은 실험을 확대해 페르미온 가스(fermionic gas)에서 발생하는 것으로 알려진 다른 효과를 연구 할 수 있다고 지적했다. 이러한 효과 중 하나는 전자가 쿠퍼 쌍으로 형성 될 때 특정 금속에서 발생하는 초전도성이다. 연구팀은 그들의 방법으로 이들 쌍의 출현을 연구할 수 있어야 한다고 말했다.

*Ref: Observation of Pauli Crystals arxiv.org/abs/2005.03929