EPFL 연구진, 시계 없이 양자 세계 시간을 재다

전자 스핀과 양자 간섭으로 ‘아토초 전이 시간’ 직접 측정

양자역학에서 ‘시간’은 여전히 가장 불분명한 개념 중 하나다. 전자는 언제 상태를 바꾸는가, 그 변화는 순간적인가 아니면 유한한 시간을 갖는가.

스위스 연방공대 로잔(EPFL) 연구진은 외부 시계나 레이저 기준 없이, 양자 시스템 내부의 신호만으로 전자의 전이 시간을 측정하는 새로운 실험적 방법을 제시하며 이 오래된 질문에 한 걸음 다가섰다.

양자 세계에서 일어나는 사건들은 인간의 직관을 압도할 만큼 빠르다. 전자가 장벽을 통과하는 터널링 현상이나, 빛을 흡수해 에너지 준위가 바뀌는 과정은 수십 아토초(attosecond, 10⁻¹⁸초) 만에 일어난다. 이는 같은 시간 동안 빛조차 작은 바이러스 하나의 폭을 건너지 못할 정도로 짧은 시간이다.

그러나 이러한 초고속 현상을 얼마나 걸렸는지 측정하는 문제는 오랫동안 양자물리학의 난제로 남아 있었다. 외부에서 시간을 재는 순간, 측정 장치가 양자 상태 자체를 교란할 수 있기 때문이다.

EPFL 물리학과의 위고 딜(Hugo Dil) 교수는 “시간이라는 개념은 수천 년 동안 철학자와 물리학자를 괴롭혀 왔고, 양자역학은 이를 더 복잡하게 만들었다”며 “특히 양자 전이에 실제로 소요되는 시간이 무엇인지가 핵심 문제”라고 말한다.

외부 시계를 쓰지 않는 측정

딜 교수 연구팀은 이 문제를 ‘시계를 없애는 방식’으로 접근했다. 전자가 광자를 흡수해 물질 밖으로 방출될 때, 그 전자는 단순한 에너지 정보뿐 아니라 스핀(spin) 이라는 미묘한 양자 정보를 함께 지닌다. 연구진은 이 스핀이 양자 전이가 진행되는 동안의 시간 정보를 간접적으로 담고 있다는 점에 주목했다.

제1저자인 페이 궈(Fei Guo)는 “이 방법은 외부 기준 시계 없이, 전자의 파동함수가 초기 상태에서 최종 상태로 진화하는 데 필요한 시간을 직접 제공한다”고 설명한다.

핵심 원리는 양자 간섭이다. 빛에 의해 여기된 전자는 하나의 경로만 따르지 않고, 여러 양자 경로를 동시에 탐색한다. 이 경로들이 서로 간섭하면서 전자 스핀에 고유한 패턴을 남기고, 연구진은 이 패턴이 전자의 에너지에 따라 어떻게 변하는지를 분석해 전이 시간을 계산했다.

SARPES로 들여다본 아토초 세계

실험에는 스핀·각도 분해 광전자 분광법(SARPES) 이 사용됐다. 싱크로트론에서 생성한 강력한 빛을 물질에 쏘아 전자를 방출시키고, 그 전자의 에너지·방향·스핀을 정밀하게 측정하는 고난도 기법이다.

연구진은 서로 다른 구조를 가진 여러 물질을 비교했다. 완전한 3차원 구조의 구리(copper), 층상 구조의 이황화티타늄(TiSe₂)과 이텔루라이드티타늄(TiTe₂), 그리고 사슬형 구조를 가진 구리 텔루라이드(CuTe)가 실험 대상이었다.

구조가 시간을 바꾼다

결과는 명확한 경향을 보여줬다. 구조가 단순하고 대칭성이 낮을수록, 양자 전이는 더 오래 걸렸다.

• 3차원 구리: 약 26 아토초
• 층상 구조 TiSe₂·TiTe₂: 140~175 아토초
• 사슬형 CuTe: 200 아토초 이상

이는 원자 배열과 대칭성이 전자의 움직임과 양자 간섭에 직접적인 영향을 미치며, 결과적으로 양자 전이의 시간 스케일을 결정한다는 것을 의미한다.

딜 교수는 “이번 결과는 광전자 방출 지연을 결정하는 요인에 대한 근본적 정보를 제공할 뿐 아니라, 양자 전이가 과연 ‘순간적’이라고 볼 수 있는지에 대한 이해를 확장한다”고 말한다.

양자 시간 이해의 새로운 도구

이 연구는 당장 양자컴퓨터를 만드는 기술로 이어지지는 않지만, 양자 물질에서 시간의 역할을 실험적으로 정의할 수 있는 새로운 도구를 제시한다는 점에서 의미가 크다. 전자 상태의 변화가 얼마나 걸리는지를 정확히 알 수 있다면, 향후 양자 물질 설계나 초고속 전자·광소자 개발에도 중요한 기준이 될 수 있다.

“양자 물질은 고정된 대상이 아니다.” 딜 교수의 말처럼, 이번 연구는 양자 세계에서 시간조차 물질의 성질과 상호작용에 따라 달라질 수 있는 물리량임을 보여준다. 수백 년 동안 이어진 ‘시간’에 대한 질문이, 아토초 실험실에서 조금씩 형태를 드러내고 있다.