양자역학 연구가들이 수천 개 원자로 이루어진 아주 작은 금속 입자를 동시에 여러 위치에 존재하게 만드는 데 성공했다. 연구진은 금속 나노입자가 마치 두 곳 이상에 동시에 퍼져 있는 것처럼 행동하는 ‘양자 중첩’ 현상을 직접 관측했고, 이는 지금까지보다 훨씬 큰 물체에서도 양자역학이 그대로 작동한다는 강력한 증거로 평가된다. 특히 이번 실험은 “양자 현상은 극도로 작은 세계에서만 일어난다”는 기존 직관을 크게 흔들고 있다. 연구진은 사람 눈에 보이지는 않지만, 이미 현대 반도체 부품 수준 크기의 금속 덩어리에서도 이런 기묘한 현상이 유지된다는 사실을 확인했다.
수천 개 원자로 된 금속 입자, 동시에 여러 위치에 존재
오스트리아와 독일 공동 연구진은 나트륨 원자 수천 개로 이루어진 금속 나노입자에서 양자 간섭 현상을 관측했다고 밝혔다. 양자역학에서는 물질이 ‘입자’이면서 동시에 ‘파동’처럼 행동할 수 있다. 전자나 원자 같은 매우 작은 입자에서는 이미 이런 현상이 여러 차례 확인됐다. 하지만 일상 속 돌멩이, 먼지, 구슬 같은 물체는 항상 한 위치에만 존재하는 것처럼 보인다.
연구팀은 이번에 지름 약 8나노미터 크기의 나트륨 입자를 사용했다. 이는 최신 반도체 트랜지스터 부품과 비슷한 수준이다. 질량 역시 17만 개 이상의 원자질량 단위에 달해 대부분 단백질보다 더 무거웠다. 그런데도 이 입자들은 여전히 양자 간섭 무늬를 만들어냈다. 연구 관계자는 “직관적으로는 이런 큰 금속 덩어리가 일반적인 물체처럼 행동할 것이라 예상하게 된다”며 “하지만 실제로는 여전히 양자 간섭을 보였고, 이는 양자역학이 이런 규모에서도 정확히 성립한다는 뜻”이라고 설명했다.
‘슈뢰딩거의 금속 덩어리’ 실험 현실로
연구진은 5천~1만 개의 원자로 이루어진 초저온 나트륨 입자를 만든 뒤, 자외선 레이저가 형성한 세 개의 회절 격자를 통과시켰다. 첫 번째 레이저는 입자의 위치를 약 10나노미터 정확도로 설정하면서 동시에 입자를 ‘양자 중첩 상태’로 만들었다. 이는 입자가 하나의 경로만 지나가는 것이 아니라 여러 경로를 동시에 통과하는 상태를 뜻한다. 이후 서로 다른 경로들이 다시 겹쳐지면서 줄무늬 형태의 양자 간섭 패턴이 생성됐고, 이는 양자이론 예측과 정확히 일치했다.
연구진은 실험 동안 입자가 한 점에만 존재했던 것이 아니라, 자기 몸집보다 수십 배 넓은 공간 전체에 퍼져 있었다고 설명했다. 물리학에서는 이런 상태를 ‘슈뢰딩거의 고양이 상태’라고 부른다. 이는 오스트리아 물리학자 Erwin Schrödinger 가 제안했던 유명한 사고실험에서 나온 개념이다. 관측 전까지 고양이가 동시에 살아 있으면서 죽어 있는 상태로 존재한다는 내용이다. 이번 실험에서 연구진은 금속 입자가 사실상 “여기에도 있고, 여기 없기도 한 상태”를 동시에 유지했다고 표현했다.
기존 기록 뛰어넘은 양자역학 검증
연구진은 이번 실험의 ‘거시성’ 수치가 μ=15.5에 도달했다고 밝혔다. 이는 양자역학이 얼마나 큰 규모까지 유지되는지를 보여주는 지표다. 연구팀에 따르면 이 수치는 기존 세계 기록보다 약 10배 가까이 강력한 수준이다. 특히 같은 수준의 검증을 전자로 수행하려면 전자의 양자 중첩 상태를 거의 1억 년 동안 유지해야 하지만, 이번 금속 입자 실험은 단 0.01초 정도 만에 동일한 수준을 달성했다는 설명이다.
연구진은 앞으로 더 큰 입자와 다양한 물질을 이용해 실험 범위를 확대할 계획이다. 또 이번 장치는 극도로 미세한 힘까지 감지할 수 있는 초정밀 센서 역할도 가능해, 미래 나노기술과 정밀 측정 분야 발전에도 활용될 가능성이 제기되고 있다.
성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr
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