한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 극저온 중성원자 양자 시뮬레이터를 이용해 이론적으로 추측된 비평형 상태의 양자 물성 변화의 보편적 물리 법칙을 확인하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
물에서 관측할 수 있는 액체-기체 상전이 임계점 및 자석에서 관측되는 상자성-강자성 상전이 임계점은 비록 서로 매우 다른 계지만 동일한 형태의 물성 변화를 확인할 수 있다.
물질의 상이 변화되는 임계지점에서 물성의 변화는 입자들의 크기, 밀도, 등 계를 구성하는 미시적인 물리량에 의존하지 않으며 이를 가리켜 ‘상전이점 근처에서 보편성이 존재한다’고 할 수 있다.
또 물성의 변화가 수학적으로 동일한 함수를 따를 때 우리는 ‘같은 보편성 부류에 속한다’고 한다.
비평형 양자 동역학에서도 ‘상전이’ 현상과 같이 보편성 및 보편성 부류가 존재함이 약 10년 전에 제기됐으나 매우 긴 시간 동안 관측해야 하는 실험적인 어려움이 있어 이에 대한 검증을 엄밀하게 할 수 없었다.
이에 연구팀은 강한 상호작용을 갖는 스피너 응집체를 이용해 자기 도메인들의 비평형 조대화 동역학을 매우 긴시간 동안 연구, 해당 가설을 검증했다.
우선 조대화 동역학의 동역학적 형태가 다양한 초기 상태와 상관없이 동일한 수학적 형태를 따르는 것을 보여 보편성을 확인했다.
이어 시스템의 대칭성을 바꾸어 주었을 때만 동역학의 수학적 형태가 바뀌는 것을 확인, 보편적인 양자 동역학의 분류도 가능함을 보여줬다.
최재윤 교수는 “이번 연구는 중성원자 양자 시뮬레이터가 비평형 양자 동역학에 가설을 검증하는 데 활용된 중요한 사례"라며 "향후 고전 컴퓨터가 흉내 내기 어려운 영역에서 비평형 동역학을 연구해 새로운 물리 법칙을 발견하고 싶다”고 말했다.
KAIST 물리학과 허승정·권기량·허준혁 대학원생 연구원이 참여한 이번 연구는 성미래기술재단과 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 피직스' 3월 표지로 선정됐다.
뉴스1 김태진 기자 memory4444444@news1.kr
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