시간 결정 개방 시스템에서 최초 구현

시간 결정(time crystal)은 2012년 미국 물리학자 Frank Wilczek이 처음으로 예측한 독특하고 이국적인 물질 상태다. 시간 결정은 반복되는 패턴을 특징으로 하는 구조를 기반으로 하기 때문에 보다 일반적인 공간 결정(space crystals)의 시간적 유사체다.

시간 결정은 공간 결정처럼 3차원(3D) 공간에 걸쳐 반복적인 패턴을 형성하는 대신 정해진 패턴에서 발생하는 시간 경과에 따른 변화가 특징이다. 기존 연구는 물질의 이러한 이국적인 단계를 실현할 수 있었지만 지금까지 이러한 실현은 폐쇄 시스템을 통해서만 달성됐다. 이것은 시간 결정이 소실(dissipation) 및 결어긋남(decoherence)이 있는 개방 시스템에서도 실현될 수 있는지에 대한 질문을 제기했다.

독일 함부르크 대학(University of Hamburg) 레이저 ​​물리학 연구소의 연구원들은 최근 공개 양자 시스템에서 처음으로 시간 결정을 실현했다. Physical Review Letters에 발표된 그들의 논문은 양자 시스템에서 물질의 이국적인 단계 연구에 중요한 의미를 가질 수 있다.

연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Hans Keßler는 시간이 지남에 따라 특성이 어떻게 규칙적으로 변하는지 알려진 물질의 역학 단계를 조사했다. 이는 본질적으로 재료가 시간이 지남에 따라 속성을 변경하는 전환이다.

연구원들의 최근 연구의 주요 목적은 실험실 환경에서 소실 시간 결정을 구현하는 것이었다. 이를 위해 그들은 협대역 광학 공동에 강력하게 결합된 양자 다물체 시스템을 사용했다.

Keßler는 “공진기 내부의 라이트 필드와 다물체 시스템의 밀도가 동일한 기반에서 진화한다는 것이 우리 실험에서 매우 중요했다. 이는 각각 단일 광자 반동(single photonic recoil)에 해당하는 공동 대역폭과 주파수에 의해 제공된다. 이 상황은 우리의 원자-공동(atom-cavity) 시스템에서 고유하며 물질의 동적 단계를 연구할 수 있는 가능성을 열어준다”고 설명했다.

실제 물리적 시스템은 주변 환경과 완전히 격리되지 않으므로 소실(즉, 에너지 손실 또는 낭비)하기 쉽다. 이것은 임의의 시간 동안 진정으로 닫힌 양자 시스템을 실현하는 것을 어렵거나 불가능하게 한다. 이것이 궁극적으로 Keßler와 그의 동료들이 대신 개방형 양자 시스템에서 시간 결정 실현을 시도하도록 영감을 준 것이다.

Keßler는 “우리의 원자-공동 설정에서 시간 결정에 대한 독특한 점은 시스템의 역학을 안정화하는 데 도움이 되기 때문에 소산을 방지하는 긍정적인 역할입니다. 따라서 개방형 시스템에서 시간 결정 질서의 입증은 우리 연구의 가장 중요한 성과입니다. .”

이 연구원 팀의 최근 연구는 분리된 시간 결정(discrete time crystal)이 구동되고 개방된 원자 공동 시스템에 존재할 수 있다는 강력한 증거를 제공한다. Keßler와 그의 동료들은 이제 최근 연구에서 사용한 것과 동일한 원자 공동 시스템을 사용하여 연속 시간 결정을 실현하려고 노력하고 있다.

Keßler는 “최근 논문에서 설명한 시나리오에 대해 제안한 바와 같이 우리의 원자-공동 시스템은 고유 주파수에서 주기적인 진동을 특징으로 하는 물질 상태로 전환할 것”이라고 덧붙였다.

그는 “이러한 시간 결정에서 진동의 상대 위상은 0과 2pi 사이의 값을 취할 것으로 예상된다. 이것은 상대 위상이 0 또는 pi만 될 수 있는 이산 시간 결정과 매우 다르다. 어떤 면에서 연속 시간 결정은 둘 다 연속 대칭을 깨는 점에서 고체 결정에 더 가깝다”고 설명했다.