양자 가스로 구현한 이례적 물질 위상

응축된 물질의 전자적 특성은 종종 결정 격자를 가로질러 전자파 기능을 중첩시키고 비편재화하는 것을 목표로하는 운동 에너지와 전자-전자 상호 작용의 국소화를 목표로하는 운동 에너지 사이의 복잡한 경쟁에 의해 결정된다.

대조적으로, 가스 상태는 잘 정의된 에너지를 가진 불연속 양자 상태에서 이온 원자 중심 주위에 단단히 위치한 전자를 특징으로 한다.

둘 사이 이례적 하이브리드를 형성, 고립된 원자 가스가 전자 파동 기능이 고체처럼 공간적으로 겹치는 상태로 갑자기 여기될 때 어떤 물질 상태가 생성되는가.

이러한 이례적 물질 위상은 지금까지 원칙적으로 만들어 질 수 없었다.

일본 국립자연과학연구소 분자과학연구소 켄지 오모리(Kenji Ohmori) 교수와 그의 동료들은 10피코초(picoseconds, 1조분의 1초) 내에 중첩 생성된 높은 전자적 (Rydberg1) 파동함수 기능을 가진 이례적인 하이브리드 양자 상태를 구현했다. 파동함수는 극저온 원자의 인공 미세 결정에서 초고속 레이저 여기에 의한 공간 중첩 정도는 거의 50 나노미터(nanometer = 10 억분의 1미터) 정확도로 적극적으로 조정된다.

절묘한 제어하에 오래 지속되고 나노초 단위로 소멸되는 이 이례적 금속 같은 양자 가스는 쿨롱 상호작용(Coulomb interactions)에 의해 지배되는 초고속 다체 전자 역학을 시뮬레이션하기 위해 완전히 새로운 다체 물리 체계를 열어준다. 쿨롱 상호작용은 전하 또는 대전된 물체가 서로 상호 작용하는 정전기 현상에 대한 기술이다.

연구진은 기체상에서 3만 개의 루비듐 원자의 앙상블을 사용해 실험을 수행했다. 레이저 / 증발 냉각에 의해 절대 영도 보다 10 만분의 1켈빈 미만의 온도로 냉각시켰다. 보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)으로 불리는 에너지 적으로 가장 낮은 양자 상태의 초저온 원자는 반 전파 레이저 빔으로 형성된 광학 트랩 입방 격자에 갖혀 3만 개의 원자로 구성된 인공 미세 결정이 생성된다. 가장 가까운 간격은 0.5 미크론(micron)이다. 수십 마이크로 미터 크기의이 미세 결정에 펄스 폭이 10 피코 초인 극초단파 레이저를 조사했다.

그런 다음 각 인접 원자에 갇힌 전자가 거대한 전자 궤도(Rydberg orbital1)로 여기되어 공간적으로 서로 중첩되는 것으로 관찰됐다. 겹침의 정도는 궤도를 선택하는 레이저 주파수를 변경함으로써 거의 50 나노 미터의 정밀도와 정확도로 정교하게 제어됐다.

이 느슨하게 결합 된 전자의 궤도가 서로 겹치고 원자가 궤도를 공유하기 시작하면 새로운 금속과 같은 양자 가스 시스템이 형성된다. 오모리 교수와 그의 동료들은 처음으로 금속과 같은 양자 가스를 만들었다.

이 이례적 물질 위상은 초전도 및 자기를 포함한 물질의 물리적 특성에 대한 이해를 향상시키는 쿨롱 상호작용에 의해 지배되는 초고속 다체 전자 역학의 양자 시뮬레이션을 위한 혁신적인 플랫폼으로 기대된다.

새로운 기능성 재료 개발 등 양자 혁신에 기여할 수 있다.

*보스-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensate)

양자 역학적 입자는 물리적 특성에 따라“bosons”와“fermions”로 분류된다. 이 연구에 사용 된 루비듐 원자는 보손이다. 보손 앙상블이 냉각되면 0 켈빈(Kelvin)에 가까운 임계 온도에서 에너지 적으로 가장 낮은 양자 상태로 갑자기 위상 전이가 진행된다. 이러한 앙상블을 Bose-Einstein condensate(BEC)라고한다. 이론적으로 1924 년에서 1925 년까지 아인슈타인에 의해 예측됐으며, 1937 년에 초 유체 헬륨 -4로 처음 발견됐다.

*양자 시뮬레이터
양자 다체 시스템의 시뮬레이션에 전념하는 일종의 양자 컴퓨터는 원자와 같은 양자 역학적 입자가 인공 양자 다체 시스템으로 조립되는 양자 시뮬레이터라고한다. 예를 들어, 수퍼 컴퓨터와 같은 고전적인 컴퓨터로 특성을 계산하는 대신 고체에서 서로 상호 작용하는 많은 전자의 앙상블 특성을 시뮬레이션하고 이해한다.

* “Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice” by M. Mizoguchi, Y. Zhang, M. Kunimi, A. Tanaka, S. Takeda, N. Takei, V. Bharti, K. Koyasu, T. Kishimoto, D. Jaksch, A. Glaetzle, M. Kiffner, G. Masella, G. Pupillo, M. Weidemüller and K. Ohmori, 22 June 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.253201