스웨덴 찰머스 공과대학(Chalmers University of Technology)의 연구진은 거울 앞에 원자를 위치시킴으로써 인공 원자가 정상적인 것보다 10배 더 오랫동안 살아남는다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 최근에 저널 Nature Physics에 게재되었다. 

한 개의 원자에 에너지를 추가하면(원자가 여기된다는 것을 의미함), 원자는 에너지를 손실하고 원래의 상태로 돌아가기 전에 일반적으로 약간의 시간이 소요된다. 이번 연구진은 거울 역할을 하는 단락 회로로부터 일정 거리 안에 인공 원자를 배치시켰다. 거울과의 거리를 변화시킴으로써, 이번 연구진은 거울이 없을 때보다 원자가 10배까지 더 오랫동안 생존할 수 있다는 것을 확인했다. 

인공 원자는 원자의 역할을 하는 초전도성 전자 회로이다. 기존의 원자와 같이, 이것은 에너지를 사용해서 대전시켜서 여기시킬 수 있는데, 이것은 광 원자의 형태로 방출된다. 이 경우에, 광은 원래 광보다 훨씬 더 낮은 주파수를 가지고 실제로 마이크로파가 된다. “우리는 매우 간단한 방식으로 원자의 수명을 제어할 수 있는 방법을 증명했다”고 이 연구를 이끌었던 Per Delsing 교수가 말했다. “우리는 원자와 거울 간의 거리를 변화시킴으로써 원자의 수명을 변화시킬 수 있었다. 우리가 거울로부터 일정 거리 안에 원자를 배치시키면, 원자의 수명은 우리가 원자에서 관찰된 것보다 훨씬 더 늘어난다. 따라서 우리는 거울 앞의 원자를 숨길 수 있다”고 그는 말했다. 

이 실험은 실험적 및 이론적 연구의 협업으로 이루어졌다. 이론적 연구는 원자 수명이 거울과의 거리에 따라서 어떻게 변하는지에 대한 조사를 기반으로 진행되었다. “원자가 죽는 이유(이것이 원래의 기저 상태로 돌아가는 것)는 진공 요동(vacuum fluctuation)이라고 알려진 양자 이론 때문에 존재하는 전자기장 속의 매우 작은 변화들 때문”이라고 Goran Johansson 교수가 말했다. 

원자를 거울 앞에 배치시킬 때, 이것은 거울 이미지와 상호작용하고 원자에 노출되는 진공 요동의 양을 변화시킨다. 이번 연구진이 만드는데 성공한 시스템은 진공 요동을 측정하는데 특히 적합하다. 진공 요동은 그동안 측정하기가 매우 어려웠다. 

이번 연구진이 사용한 샘플은 실리콘 칩 위에 제조되고 두 개의 핵심 요소들을 포함한다. 첫 번째는 인공 원자로 형성된 초전도성 회로이다. 두 번째 부분은 거울 역할을 하는 단락이다. 원자에 매우 약은 신호를 보냄으로써, 이번 연구진은 이것의 수명을 측정할 수 있었다. 동시에, 그들은 거울과의 유효 거리를 변화시킬 수 있었다. 이것은 원자 공진 주파수를 변화시킴으로써 수행되고, 실제 거리는 일정하게 유지된다. 이것을 수행함으로써, 당신은 광/마이크로파의 파장 수에서 측정된 거리를 제어할 수 있다. 4.8GHz 의 주파수가 실험에 사용되었는데, 이것은 무선 네트워크에서 사용되는 전파와 유사하다. 이 실험은 원자가 실험 시작점에 기저 상태를 가지도록 절대 온도 근처(30 mK)의 매우 낮은 온도에서 수행되었다. 이 연구결과는 저널 Nature Physics에 “Probing the quantum vacuum with an artificial atom in front of a mirror”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nphys3484). 


그림. 원자의 수명은 거울의 역할을 하는 단락의 전면에 원자를 배치시킴으로써 10배까지 확대될 수 있다. 인공 원자는 실리콘 칩 위의 초전도성 회로로 구성된다. 원자와 이것의 거울 이미지 간의 상호작용은 원자에 의해서 관찰된 진공 요동과 이것의 수명을 변화시킨다. 원자와 거율 간의 상호작용을 매개하는 마이크로파는 칩 위의 전송 선로를 따라서 흐른다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』