빛을 1차원으로 가두면 어떻게 될까요?
아무런 변화가 없을까요? 아니면 어떠한 변화가 생길까요?
최근 과학자들은 빛을 한 곳에 모아서 냉각시켰습니다.
그리고 빛들을 1차원과 2차원으로 나눠서 가두워 봤죠.
그랬더니 1차원의 빛에서, 처음보는 이상한 현상이 일어났습니다.
이번 연구는 Nature Physics 2024년 9월 6일자에 게재되었습니다.
보스-아인슈타인 응축 현상(BEC).
입자들이 하나로 뭉쳐져 마치 하나의 입자처럼 움직이는 현상입니다.
특정 입자들을 매우 낮은 온도로 냉각시키면 나타나게 되는 현상이죠.
이러한 보스-아인슈타인 응축은 일반적으로 보손 입자로 만들 수 있는데요.
보손 입자에는 수소, 루비듐-87, 리튬-7, 헬륨-4 그리고 광자 등이 있습니다.
믿기 어렵겠지만, 빛도 모아놓고 절대 영도로 냉각시키면 응축될 수 있다는 겁니다.
하지만 광자는 다른 입자들과는 다르게 끊임없이 소멸되는 특징이 있는데요.
그래서 광자를 가지고 실험할 때는, 에너지를 계속 주입해줘야 한다는 조건이 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 과학자들은, 특수한 실험 방법을 고안해 냈습니다.
바로 내부에 거울이 부착되어 있는 용기에, 특수한 염료 용액을 채워넣은 건데요.
이 용기 안에다가 레이저를 발사하면, 염료 분자들이 빛을 통해 에너지를 얻습니다.
결국 염료 분자들은 점점 불안정해져, 흡수한 에너지를 다시 빛의 형태로 방출하게 되죠.
용기 안에 있는 수 많은 염료 분자들은, 이렇게 수 많은 광자들을 만들어낼 수 있게 됩니다.
이 과정에서 광자들은 서로 충돌하여 에너지가 감소되고 냉각되는 효과를 얻게 되는데요.
이 과정을 충분히 반복하게 되면, 광자들이 응축될 수 있을 정도로 냉각될 수 있습니다.
여기까지는 기존에 이용되고 있던 광자를 이용한 실험 방법입니다.
하지만 최근 과학자들은 광자들의 움직임을 제한해서 광자의 상태를 살펴보고 싶었는데요.
그래서 과학자들은 용기의 내부 표면에, 아주 미세한 도랑과 같은 형태를 만들었습니다.
도랑은 총 2개의 형태로, 하나는 매우 좁은 1차원의 형태, 또 나하는 넓은 2차원의 형태였습니다.
용기 안에 있는 광자들은 이 도랑을 따라서, 특정 방향으로 흐르거나 움직일 수 있게 되죠.
이렇게 과학자들은 광자들의 움직임을 1차원의 형태와 2차원의 형태로 제한할 수 있었습니다.
좁은 길을 통과하는 광자들은 움직임이 제한되어 1차원적인 특징을 갖게 되었으며,
넒게 곳을 통과하는 광자들은 움직임이 더 자유로워져 2차원의 특징을 갖게 되었죠.
과학자들은 이렇게 두 차원에서 서로 다르게 움직이는 광자들의 특성을 살펴봤습니다.
그 결과, 2차원의 광자들은 온도가 점점 내려가자 예상대로 서서히 응축되기 시작했습니다.
하지만 1차원의 광자들은 작은 온도의 변화에도 아주 불안정한 모습을 보였는데요.
보스-아인슈타인 응축 현상도 명확하지 않았으며, 위치에 따라 전혀 다른 상태를 보였습니다.
이는 1차원의 광자들이, 온도 이외에 다른 요소의 영향을 받고 있는 것처럼 보였습니다.
또한 1차원으로 제한된 광자들은 양자 얽힘 현상이 더욱 강하게 나타나고 있었죠.
즉, 광자가 이동하는 통로를 좁히자, 처음 보는 양자 현상들이 나타나고 있었다는 겁니다.
1차원 광자가 보여준 특징은, 기존에 알려지지 않았던 완전히 새로운 양자 현상이었습니다.
이렇게 과학자들은 이번 광자 실험에서, 새로운 양자 현상을 발견할 수 있었는데요.
어쩌면 이번의 발견은, 새로운 물리 현상의 발견으로 이어질 가능성이 있습니다.
이를 통해 양자 컴퓨터의 개발은 물론, 새로운 물리 법칙이 등장하게 될지도 모르죠.
도대체 빛은, 얼마나 많은 비밀들을 가지고 있는 걸까요?
빛을 연구하면 할 수록 생각치도 못했던 현상들이 계속 드러나고 있습니다.
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