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- 세계에서 가장 작은 볼 게임(Ball Game)에서 날아다니는 원자
- 광학 핀셋은 나노기술, 양자 물리학 또는 생물 의학에 거의 필수 불가결
- 실험에서 팀은 12㎛(마이크로미터) 이상의 거리에 루비듐 원자를 던져 다시 잡아
- 원자 대 원자 화학의 완전히 새로운 분야를 열어

세계에서 가장 작은 볼 게임(Ball Game)에서 날아다니는 원자
물리학자들은 처음으로 원자를 던지고 잡기 위해 광학 핀셋을 사용했다.

원자를 이용한 볼 게임:
물리학자들은 레이저 핀셋으로 원자를 운반하는 대신, 처음으로 빛의 도움으로 원자를 던지고 잡았다. 연구원들은 광학 핀셋을 원자 공 게임에서 던지기와 포수로 사용한다. 빛에 의한 원자의 이 새로운 수송은 원자 구성 요소를 배열하고 이동하는 것을 더 쉽게 만들 수 있으며 양자 통신 및 양자 컴퓨터에서도 응용 프로그램을 찾을 수 있다. 

▲ 처음으로 물리학자들은 마치 볼 게임처럼 두 개의 레이저 트랩 사이에 원자를 앞뒤로 던졌다. © 안재욱/KAIST

빛은 다양한 방식으로 물질에 영향을 미친다. 빛은 원자를 자극하고 전자를 전자껍질 밖으로 내보내거나 복사압을 통해 물체를 앞으로 이동시키거나 "빛 케이지"에 입자를 가둘 수 있다. 1980년대에는 미국의 물리학자 Arthur Ashkin도 레이저 핀셋을 개발했다. 그는 초점을 맞춘 레이저 빔이 빛의 "트랙터 빔"처럼 원자를 붙잡고 운반할 수 있다는 것을 발견했다. 오늘날 이러한 광학 핀셋은 나노기술, 양자 물리학 또는 생물 의학에 거의 필수 불가결하다.

그러나 일반적인 레이저 핀셋에는 몇 가지 단점도 있다. 원자를 이동할 때 서로 방해가 되지 않아야 하며 이동 속도가 매우 느리다. 특히 양자 물리 응용 분야에서 이는 가능한 응용 분야를 제한한다.

들고 옮기는 것이 아니라 던지기

레이저 지원 핵 수송의 완전히 새로운 변종은 이제 표적 투척이라는 해결책을 제공한다. 원자는 운송 중에 "자신의" 레이저 핀셋에 갇힌 상태로 유지되지 않고 외부로 튀어나온 다음 두 번째 레이저 핀셋 쌍에 의해 목적지에서 다시 잡힌다. 한국과학기술원(KAIST) 안재욱 선임저자는 “자유비행하는 원자는 도중에 광학 트랩과 상호작용하지 않고 한 곳에서 다른 곳으로 이동한다”고 설명했다.

▲ 광학 핀셋으로 구부러진 원자 비행. (a)–(c) 날아가는 원자와 다른 원자를 보유하고 있는 광학 핀셋(약 1mK 트랩 깊이)의 충돌 전후(각각 왼쪽 및 오른쪽) 원자 이미지 (출처: 관련논문 Optical tweezers throw and catch single atoms / Vol. 10, Issue 3, pp. 401-406 (2023) / OPTICA)

원자 볼 게임을 위해 연구원들은 40켈빈으로 냉각된 루비듐 원자를 "볼"로 사용하고 광학 핀셋에 고정했다. 그런 다음 레이저 빔으로 그들을 운반하는 대신, 물리학자들은 "투사기" 핀셋의 에너지를 증가시켜 원자를 더 강한 진동으로 설정했다. 그런 다음 그들은 원자가 원하는 방향으로 트랩에서 튀어 나오도록 레이저를 끈다. 동시에 "포수" 역할을 하는 두 번째 레이저 핀셋 세트가 켜진다. "즉, 구기 경기에서 투수와 포수 사이의 공처럼 원자가 두 개의 광학 트랩 사이에서 앞뒤로 던져진다"고 Ahn은 설명했다.

▲ 초점을 맞춘 레이저 빔의 물리적 구배가 원자를 제자리에 고정하기 때문에 광학 핀셋이 작동한다. © Roland Koebler/ CC-by 3.0

94%의 포획률

실험에서 팀은 12㎛(마이크로미터) 이상의 거리에 루비듐 원자를 던져 다시 잡을 수 있었다. 물리학자들은 원자가 하나의 광학 트랩에서 다른 광학 트랩으로 고의적으로 투석된 것은 이번이 처음이라고 보고했다. 자유롭게 날아다니는 원자는 초당 약 65cm의 속도로 움직였다. 이는 레이저 핀셋의 유도 수송보다 훨씬 빠른 속도다.

더 중요한 것은 던져진 모든 원자의 최대 94%가 목적지에 도달했다는 것이다. 안 교수와 그의 동료들은 "이러한 운송 효율성은 다른 광학 핀셋이 경로에 있을 때도 유지됐다"고 보고했다. 그들은 미리 결정된 원자 배열을 만들거나 원자 격자의 빈 구멍에 원자를 떨어뜨리기 위해 원자 "볼 게임"을 성공적으로 사용했다.

큐비트, 입자 새총 및 원자 구조에 유용

물리학자들에 따르면 원자 던지기 방법에는 많은 실용적인 이점이 있다. 예를 들어 복잡한 원자 배열을 이전보다 더 빠르고 간섭 없이 구성하는 데 사용할 수 있다. 그러나 날아다니는 원자는 큐비트가 위치를 보다 유연하게 변경하는 완전히 새로운 유형의 동적 양자 컴퓨터를 가능하게 할 것이라고 Ahn은 설명했다. 예를 들어 논리 게이트를 요구 사항에 맞게 쉽게 조정할 수 있다.

또한 레이저 핀셋은 개별 원자나 다른 하전되지 않은 입자를 서로 충돌시키는 작은 입자 가속기로 사용될 수도 있다. "이것은 원자 대 원자 화학의 완전히 새로운 분야를 열었다"고 Ahn은 말했다.
(Optica, 2023; doi:10.1364/OPTICA.480535)
출처: Optica

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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