전자의 자기 상호작용 측정

전자의 자기 상호작용 측정 과학과 사회 / 과학

2014/06/22 09:00

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전자의 자기 상호작용 측정

Jun 19, 2014, Tushna Commissariat, physicsworld.com

 

스핀 상호 작용. 자기 상호작용

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물리학자들이 두 전자 간의 극도로 약한 자기 상호작용을 측정했다. 양자 정보와 이온 포착 분야의 기술로 처음 개발된 실험 기술을 써서 연구팀은 자기 노이즈가 있음에도 불구하고 전자 간의 약한 자기 상호작용을 측정해냈다. 자기 노이즈는 측정하려는 신호보다 백만 배나 더 강하다. 연구원들은 가장 짧은 거리에서 자기력을 측정해냈다는 사실 이외에도 이번 기술로 노이즈가 큰 문제가 되는 양자 에러 보정 분야 같은 다른 측정 시나리오에도 적용될 수 있다고 말한다.

1920년대 이후 연구원들은 전자에는 고유 각 운동량과 그와 연관된 자기 모멘트가 있음을 알았다. 본질적으로 모든 전자는 외부 자기장에 영향을 받는 아주 작은 보이지 않는 자기 쌍극자처럼 행동한다. 그간 연구원들은 각 전자의 자기장은 정확히 측정했지만, 그러나 두 전자 간 자기 상호작용은 관측하기가 훨씬 어려웠다. 가령 두 전자가 (원자 스케일의 간격으로) 아주 짧은 거리만큼 떨어져 있을 때는 자기 상효작용도 매우 강력해지고 따라서 측정이 쉬울 것이다. 하지만 이 같은 시나리오에서는 파울리의 배타 원리(Pauli’s exclusion)와 쿨롱 전기력(척력)이 너무 커서 자기 상호작용이 눈에 띄지 않게 된다. 반대로 두 전자 사이가 멀어지면 파울리의 배타 원리나 전기력(척력)은 약화되지만, 그러나 자기 상호작용도 함께 작아져 주변의 자기 노이즈에 완전히 파묻혀 버리게 된다.

 

 

주변으로부터 분리된 상호작용

이 같은 노이즈에 대적하는 한 방법은 전자들을 주변으로부터 완전히 고립시키는 것으로, 양자 정보 처리 시에 가끔 사용되는 기술이다. 이것은 이번에 정교한 실험 장치를 만든 이스라엘 와이즈먼 연구소의 쉬오미 코틀러(Shiomi Kotler)와 동료들의 생각이었다. 코틀러는 자신들의 측정이 2 마이크론 스케일에서 수행되었다고 말한다. 이 정도 사이즈면 대장균(Escherichia coli)의 크기이고 가장 지배적인 프로세스는 전자간의 힘이 아니라 노이즈일 뿐임을 의미한다. 측정을 위해서 연구팀이 사용한 주된 도구는 정보 보호를 위해서 시스템을 주변으로부터 분리하는 양자 컴퓨팅 기술(‘decoherence-free subspace’)이었다.

코틀러는 이번 측정의 어려움을 마치 바다에 떠다니는 콩 한 알을 측정하는 것에 비유한다. 콩 한 알이 바다에 떠 있고 노이즈라는 거대한 파도가 이리저리 어지러이 콩 한 알을 수 킬로미터까지 패대기치는 것에 비유한다. 처음에는 이런 측정이 불가능하게 보였지만(콩알의 끊임없는 움직임 때문에), 요령은 콩알과 함께 떠다니는 것이다. 그렇게 되면 파도가 콩은 물론이고 관찰자에게도 똑같은 영향을 주고, 따라서 파도의 효과는 중요하지 않게 된다. 연구원들의 실험에서 전자는 다른 쪽 전자의 자기장을 감지하게 된다. 그러나 이 자기장은 실험실 내 자기 노이즈에 편승한 것이고 자기 노이즈가 백만 배는 더 크다고 코틀러는 말한다. 이 측정을 해내는 유일한 방법은 두 전자를 주변의 자기 노이즈에 대해서 똑같은 입장이 되도록 만드는 것이라고 한다. 그렇게 해서 자기 노이즈와 무관해지는 것이다.

 

실험 장치. 이온이 포착된다.

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연구팀은 진공실 안에서 파울리 이온 트랩을 사용하여 고정된 거리 2 마이크로미터만큼 떨어져 있는 두 개의 스트론튬*88Sr+) 이온을 사용한다. 각각의 이온은 기저상태의 스핀값 1/2의 원자가 전자가 있고, 연구팀은 한 전자의 북극이 다른 전자의 북극을 향하도록 초기상태를 준비한다. 보통의 막대자석처럼, 같은 극은 서로 밀어내고 회전하는 식으로 상호작용을 한다. 그러나 이 경우 자석은 전자들이고, 양자 효과가 끼어들며 전자들은 서로 얽힘 상태에 있게 된다고 코틀러는 말한다. 따라서 북극-북극 및 남극-남극으로 서로 동시에 마주 보는 상태가 된다.

 

 

길게 지속되는 양자 얽힘 상태

더욱 놀라운 것은 이렇게 자연 상태의 양자 얽힘이 15초 동안 지속되는데, 서로 결맞음(coherent) 상태의 양자 상태가 유지되는 것으로는 놀랍도록 긴 시간이다. 이 시간 이후 연구원들은 레이저 펄스를 써서 전자들의 북극이 서로 마주보는지 아니면 그 반대로 마주보는지를 감지한다. 두 이온 간의 간격에 변화를 줌으로써 그들은 자기 상호작용의 세기를 이온간 거리의 함수로 측정할 수 있다. 그렇게 상호작용이 거리 세 제곱에 반비례한다는 의존성을 확인한다.

코틀러는 이번 실험 결과 자체가 그렇게 놀라운 것은 아니지만, 얼마나 오랫동안 전자들이 양자 얽힘 상태에 있는가는 예상치 못한 것이었다고 한다. 전자들이 결맞음 상태, 즉, 양자역학적으로 15초 이상이라는 ‘인간적인’ 지속 시간을 버틴 사실은 놀라운 것이며, 그리고 아주 작은 자기력만으로도 두 입자를 양자 얽힘 상태에 둔 것이 놀라운 것이라고 한다. 여러 가지 측면에서 이것은 전례가 없는 것이라고 한다. 종래 양자 역학은 아주 작은 시스템에서 매우 짧은 시간 동안 지속된다고 생각되었다. 연구팀의 시스템은 2 마이크로미터나 될 정도로 크다. 거의 거시적(macroscopic) 규모다. 그리고 이렇게 매우 먼 거리로 양자 얽힘 상태가 여전히 보존되는 것이다.

거의 20년 전 양자 컴퓨팅 실험에서는 거대입자들 간에 양자 얽힘 상태를 생성하느라 첨단 분광 도구(spectroscopic tools)를 채택했다고 코틀러는 지적한다. 그리고 분광기는 그때부터 실험 양자 컴퓨팅 분야의 주요 추진력이 되어 왔다고 한다. 지금 코틀러의 연구는 그 방향을 돌려 양자 컴퓨팅 도구를 사용하여 매우 예민한 분광 실험을 한 것이다. 조만간 이 같은 경향이 결실을 맺게 될 것이라고 그는 말한다. 자기력 하의 움직임을 마이크로미터 스케일로 확인할 뿐 아니라, 연구팀의 시스템은 물리학의 표준입자모델을 넘어서는 역할을 하게 될 이상 스핀력(anomalous