원자는 동시에 두 개의 광자를 방출할 수 있다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-08-09 12:52:02
3'20" 읽기
- 실험은 빛과 물질의 상호 작용에 대한 일반적인 가정을 반박
- 형광 원자에서 동시에 방출되는 광입자 쌍을 처음으로 입증
- 장거리 양자 통신에 필요한 광자와 원자 양자 중계기 또는 양자 게이트 사이의 직접적인 인터페이스를 가능하게 한다
방사선에 대한 원자의 반응은 물리학의 근본적인 상호 작용 중 하나다. Albert Einstein은 이미 이 광전 효과에 관심을 가졌다. 원자가 빛에 의해 들뜨면 더 높은 에너지 상태로 바뀐다. 바닥 상태로 되돌아가면 과잉 에너지를 광자의 형태로 방출하여 형광을 발산한다. 일반적인 가정에 따르면 원자는 한 번에 하나의 광자만 방출할 수 있으므로 원자의 형광은 같은 장소에서 동시에 여러 광자를 포함하지 않는다.
"간섭성 라이트 필드(light field)에서 단일 양자 방출입자와 두 에너지 평면의 이러한 상호 작용은 양자 광학의 초석 중 하나이며 양자 분야에서 많은 현대 실험 및 응용 프로그램의 핵심을 이룬다”고 베를린 훔볼트 대학(Humboldt-Universität Berlin)의 루크 마스터스(Luke Masters)와 그의 동료들은 설명했다. "현재 해석에 따르면, 그러한 양자 방출입자는 단일 광자만 흡수하고 방출할 수 있다.“
단지 간섭 효과 탓할까?
지금까지 관찰 결과 이를 확인하는 것 같았다. 약 40년 전에 물리학자들이 물리적 방정식과 모델을 더 면밀히 분석했을 때 관찰된 형광 광자의 분리에 대한 또 다른 이론적 설명이 있음을 발견했다. 이에 따르면 원자가 레이저 빛에 반응할 때 여러 개의 광자가 생성될 수 있다. 이론에 따르면 이것들은 일관되게 그리고 비일관적으로 흩어져 있으며 상쇄 간섭을 통해 서로를 상쇄할 수 있다.
마스터스와 그의 동료들은 이제 이 이론을 실험적으로 증명하는 데 성공했다. 실험을 위해 그들은 광학 자기 트랩에 단일 루비듐 원자를 가두어 약한 적외선 레이저 광으로 조사했다. 이것은 원자를 흥분시키고 광자를 방출했다. "이 형광등은 일관된 양자 상태와 비일관적이고 산란된 구성 요소로 나눌 수 있다"고 물리학자들은 설명했다.
싱글이 커플이 되다
연구원들이 특수 필터를 사용하여 이러한 방출된 광자의 일관된 부분을 제거했을 때 놀라운 일이 발생했다. 단일 광자 스트림이 갑자기 동시에 방출된 광자 쌍으로 변환되었다. "이것은 우리가 미시적 수준에서 프로세스를 시각화하려고 할 때 우리의 직관이 어떻게 실패하는지에 대한 훌륭한 예다"고 Humboldt University의 수석 저자인 Jürgen Volz는 말했다.
우리의 일상 세계에서는 그러한 효과가 불가능하기 때문이다. 거리에서 모든 녹색 자동차를 금지하면 나머지 자동차가 갑자기 쌍으로 나란히 운전하지 않을 것이다. 그러나 형광 원자의 경우 이것은 물리적으로 설명될 수 있다. 그러나 상쇄 간섭의 원인을 제거하면 광자 쌍이 드러난다.
가벼운 물질 상호 작용에 대한 새로운 관점
"따라서 우리의 결과는 빛과 물질의 양자 역학적 상호 작용에 대한 근본적인 통찰력을 제공한다."라고 Masters와 그의 동료들은 썼다. 그들의 실험은 단일 원자가 한 번에 하나의 광자를 산란시킬 수 있다는 가정을 반박한다. 대신 산란광의 간섭이 관찰된 분리의 원인일 수 있다.
"직관과는 반대로, 일관되지 않게 산란된 빛은 동시에 산란된 광자 쌍으로만 구성된다"고 물리학자들은 보고했다. 이것은 현재의 가정과 완전히 대조적이며 원자가 동시에 두 개의 광자를 방출할 수 있는 두 가지 다른 메커니즘을 가질 수 있음을 시사한다.
양자 통신의 실용화
이것이 확인된다면 매우 실용적으로 사용될 것이다. 마스터스(Masters)의 동료인 아르노 라우쉬튀테(Arno Rauschentüte)는 "단순한 호기심 그 이상이다"며 "생성된 광자 쌍은 양자 기계적으로 얽혀 있다. 그래서 아인슈타인이 믿고 싶지 않았던 두 광자 사이에 유령같은 거리 효과가 있다. 덕분에 예를 들어 양자 상태를 순간이동 할 수 있다”고 설명했다.
따라서 이러한 형광 원자는 양자 물리학 응용을 위해 얽힌 광자 쌍을 생성하는 데 적합할 수 있다. Rauschentüte와 Volz는 “최근까지 아무도 단일 원자가 얽힌 광자 쌍의 훌륭한 공급원이 될 것이라고 믿지 않았을 것이다. 또한 광자 쌍은 본질적으로 방출된 원자와 일치한다”고 말했다. 이것은 장거리 양자 통신에 필요한 광자와 원자 양자 중계기 또는 양자 게이트 사이의 직접적인 인터페이스를 가능하게 한다.
(Nature Photonics, 2032; doi: 10.1038/s41566-023-01260-7)
출처: Humboldt-Universität zu Berlin
- 실험은 빛과 물질의 상호 작용에 대한 일반적인 가정을 반박
- 형광 원자에서 동시에 방출되는 광입자 쌍을 처음으로 입증
- 장거리 양자 통신에 필요한 광자와 원자 양자 중계기 또는 양자 게이트 사이의 직접적인 인터페이스를 가능하게 한다
원자는 동시에 두 개의 광자를 방출할 수 있다.
실험은 빛과 물질의 상호 작용에 대한 일반적인 가정을 반박한다.
빛-물질 상호 작용에 대한 새로운 관점:
대중적인 믿음과는 달리 들뜬 원자는 한 번에 하나 이상의 광자를 방출할 수 있으며, 실험 결과에서 알 수 있다. 이것은 형광 원자에서 동시에 방출되는 광입자 쌍을 처음으로 입증했다. 이것은 문자 그대로 레이저 빛에 대한 원자의 반응에 새로운 빛을 비추고 연구원들이 "Nature Photonics"에 보고한 것처럼 양자 통신에 실용적인 용도를 가질 수 있다.
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| ▲ 들뜬 원자는 광자 쌍을 생성할 수 있지만 이것은 산란 간섭에 의해 가려진다. © Maters et al./Nature Photonics, CC-by 4.0 |
방사선에 대한 원자의 반응은 물리학의 근본적인 상호 작용 중 하나다. Albert Einstein은 이미 이 광전 효과에 관심을 가졌다. 원자가 빛에 의해 들뜨면 더 높은 에너지 상태로 바뀐다. 바닥 상태로 되돌아가면 과잉 에너지를 광자의 형태로 방출하여 형광을 발산한다. 일반적인 가정에 따르면 원자는 한 번에 하나의 광자만 방출할 수 있으므로 원자의 형광은 같은 장소에서 동시에 여러 광자를 포함하지 않는다.
"간섭성 라이트 필드(light field)에서 단일 양자 방출입자와 두 에너지 평면의 이러한 상호 작용은 양자 광학의 초석 중 하나이며 양자 분야에서 많은 현대 실험 및 응용 프로그램의 핵심을 이룬다”고 베를린 훔볼트 대학(Humboldt-Universität Berlin)의 루크 마스터스(Luke Masters)와 그의 동료들은 설명했다. "현재 해석에 따르면, 그러한 양자 방출입자는 단일 광자만 흡수하고 방출할 수 있다.“
단지 간섭 효과 탓할까?
지금까지 관찰 결과 이를 확인하는 것 같았다. 약 40년 전에 물리학자들이 물리적 방정식과 모델을 더 면밀히 분석했을 때 관찰된 형광 광자의 분리에 대한 또 다른 이론적 설명이 있음을 발견했다. 이에 따르면 원자가 레이저 빛에 반응할 때 여러 개의 광자가 생성될 수 있다. 이론에 따르면 이것들은 일관되게 그리고 비일관적으로 흩어져 있으며 상쇄 간섭을 통해 서로를 상쇄할 수 있다.
마스터스와 그의 동료들은 이제 이 이론을 실험적으로 증명하는 데 성공했다. 실험을 위해 그들은 광학 자기 트랩에 단일 루비듐 원자를 가두어 약한 적외선 레이저 광으로 조사했다. 이것은 원자를 흥분시키고 광자를 방출했다. "이 형광등은 일관된 양자 상태와 비일관적이고 산란된 구성 요소로 나눌 수 있다"고 물리학자들은 설명했다.
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| ▲ 그림 1: 공명 형광에서 2광자 산란 과정. |
싱글이 커플이 되다
연구원들이 특수 필터를 사용하여 이러한 방출된 광자의 일관된 부분을 제거했을 때 놀라운 일이 발생했다. 단일 광자 스트림이 갑자기 동시에 방출된 광자 쌍으로 변환되었다. "이것은 우리가 미시적 수준에서 프로세스를 시각화하려고 할 때 우리의 직관이 어떻게 실패하는지에 대한 훌륭한 예다"고 Humboldt University의 수석 저자인 Jürgen Volz는 말했다.
우리의 일상 세계에서는 그러한 효과가 불가능하기 때문이다. 거리에서 모든 녹색 자동차를 금지하면 나머지 자동차가 갑자기 쌍으로 나란히 운전하지 않을 것이다. 그러나 형광 원자의 경우 이것은 물리적으로 설명될 수 있다. 그러나 상쇄 간섭의 원인을 제거하면 광자 쌍이 드러난다.
가벼운 물질 상호 작용에 대한 새로운 관점
"따라서 우리의 결과는 빛과 물질의 양자 역학적 상호 작용에 대한 근본적인 통찰력을 제공한다."라고 Masters와 그의 동료들은 썼다. 그들의 실험은 단일 원자가 한 번에 하나의 광자를 산란시킬 수 있다는 가정을 반박한다. 대신 산란광의 간섭이 관찰된 분리의 원인일 수 있다.
"직관과는 반대로, 일관되지 않게 산란된 빛은 동시에 산란된 광자 쌍으로만 구성된다"고 물리학자들은 보고했다. 이것은 현재의 가정과 완전히 대조적이며 원자가 동시에 두 개의 광자를 방출할 수 있는 두 가지 다른 메커니즘을 가질 수 있음을 시사한다.
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| ▲ 실험 개요도 (출처: 관련논문 On the simultaneous scattering of two photons by a single two-level atom / nature photonics) |
양자 통신의 실용화
이것이 확인된다면 매우 실용적으로 사용될 것이다. 마스터스(Masters)의 동료인 아르노 라우쉬튀테(Arno Rauschentüte)는 "단순한 호기심 그 이상이다"며 "생성된 광자 쌍은 양자 기계적으로 얽혀 있다. 그래서 아인슈타인이 믿고 싶지 않았던 두 광자 사이에 유령같은 거리 효과가 있다. 덕분에 예를 들어 양자 상태를 순간이동 할 수 있다”고 설명했다.
따라서 이러한 형광 원자는 양자 물리학 응용을 위해 얽힌 광자 쌍을 생성하는 데 적합할 수 있다. Rauschentüte와 Volz는 “최근까지 아무도 단일 원자가 얽힌 광자 쌍의 훌륭한 공급원이 될 것이라고 믿지 않았을 것이다. 또한 광자 쌍은 본질적으로 방출된 원자와 일치한다”고 말했다. 이것은 장거리 양자 통신에 필요한 광자와 원자 양자 중계기 또는 양자 게이트 사이의 직접적인 인터페이스를 가능하게 한다.
(Nature Photonics, 2032; doi: 10.1038/s41566-023-01260-7)
출처: Humboldt-Universität zu Berlin
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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