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하이젠베르크의 불확정성 원리가 시간과 공간적 범위에는 적용되지 않지만, 이 두 가지 속성을 동시에 측정할 때 변화가 발생한다는 것을 보여줘

시공간 극한에서 관측된 전자

물리학자들이 처음으로 전자의 시공간 경계, 즉 전자의 공간적 및 시간적 거동에 대한 해상도 한계에서 전자의 행동을 관찰했다. 이는 하이젠베르크의 불확정성 원리가 시간과 공간적 범위에는 적용되지 않지만, 이 두 가지 속성을 동시에 측정할 때 변화가 발생한다는 것을 보여준다. 이는 양자 역학의 여러 응용 분야에 중요한 의미를 갖는다. 

▲ 물리학자들이 최초로 이른바 시공간 경계면에서 전자의 행동을 측정했다. 사진: © Brad Baxley (parttowhole.com) 제공, 레겐스부르크 대학교

양자 세계에서는 고전 물리학과 다른 법칙이 적용된다. 예를 들어, 하이젠베르크의 불확정성 원리는 입자의 위치와 운동량을 동시에 높은 정밀도로 측정할 수 없다고 말한다. 그러나 이러한 "불확정성"은 모든 측정 가능한 양에 적용되는 것은 아니다. 레겐스부르크 대학의 시몬 마이어(Simon Maier)와 그의 동료들은 "시간과 공간 사이에는 불확정성 원리가 존재하지 않는다"고 설명했다. 이는 이론적으로 전자의 파동 함수의 시간적 구조를 측정할 때 공간적 범위에 영향을 주지 않고 측정할 수 있다는 것을 의미한다.

"하지만 전자가 초고속 변화를 겪을 때 시간(Δt)과 공간(Δx)은 종종 비선형적인 방식으로 결합된다"고 물리학자들은 설명했다. 이러한 변화는 터널링 현상이나 화학 반응에서 발생한다. 이러한 결합이 실제로 어떤 형태로 나타나고 어떤 영향을 미치는지는 아토초 범위의 시간 분해능을 가진 측정이 필요하기 때문에 지금까지 관찰하기 어려웠다.

터널링 전자와 초고속 레이저 펄스

마이어와 그의 동료들은 처음으로 이러한 시공간 경계에서 전자의 행동을 관찰하는 데 성공했다. 실험을 위해 그들은 주사 터널링 현미경(STM)의 은 표면 위에 구리 원자 하나를 올려놓았다. 현미경의 초미세 금속 팁은 원자 하나 두께에 불과했으며, 구리 원자 바로 위, 원자 지름 몇 개 정도의 거리에 떠 있었다. 그런 다음 물리학자들은 현미경 팁에 약간씩 다른, 겹치지 않는 근적외선 파장의 초단파 레이저 펄스 두 개를 쏘았다.

마이어와 그의 동료들은 처음으로 시공간 경계면에서 전자의 행동을 관찰하는 데 성공했다. 레이저 펄스는 표면 원자의 전자가 팁과 표면 사이의 에너지 장벽을 통과하여 터널링할 수 있도록 한다. 마이어는 "두 레이저 펄스 사이의 시간 간격을 변화시킴으로써 전자의 반응을 직접 관찰할 수 있다"고 설명했다. 따라서 레이저 펄스는 측정 도구로서 동시에 작용하여 전자 파동 함수의 시간적 변화와 공간적 범위를 측정할 수 있게 한다.

▲ 실험 장치 개략도. — © Maier et al./ Nature Photonics, CC-by 4.0

마이어의 동료인 카타리나 글뢰클(Katharina Glöckl)은 "이번 측정은 터널링 과정이 일어나는 시점을 보여주기 때문에 전자 파동 묶음을 위한 고속 카메라라고 이해할 수 있다"고 설명했다.

전자 파동은 시간 지연과 함께 크기가 증가

측정 결과, 전자가 매우 짧은 시간 동안 빛 펄스에 의해 움직일 때 두 가지 결과가 나타나는 것으로 밝혀졌다. 첫째, 전자는 첫 번째 레이저 펄스에 즉시 반응하지 않고 약 500 아토초의 아주 작은 시간 지연 후에 반응한다. 반면에 전자 파동 함수의 공간적 범위는 변화한다. 물리학자들이 밝혀낸 바와 같이, 에너지와 시간 지연이 클수록 파동 묶음의 부피가 커진다.

이는 하이젠베르크의 불확정성 원리가 전자의 시간과 위치에는 적용되지 않음에도 불구하고, 매우 빠르고 에너지가 높은 전자 운동의 경우 이 두 가지 특성을 같은 시간이 아닌 임의의 정밀도로 동시에 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 마이어의 동료인 라파엘 스파흐톨츠(Raffael Spachtholz)는 "전자의 시간을 더 정확하게 측정하려면 더 많은 에너지를 투입해야 한다. 이로 인해 전자 묶음이 공간적으로 더 넓게 퍼지게 된다"고 설명했다. 연구팀은 "이것이 터널링하는 전자의 시간 지연과 공간적 범위 사이에 흥미로운 상관관계를 만들어낸다"고 덧붙였다.

기초 물리학뿐 아니라 응용 분야에도 중요한 발견

이번 측정 결과는 이전에는 이론적으로만 가정되었던 전자의 시공간 경계가 실제로 존재함을 확인시켜 준다. 이는 기본적인 전자기 상호작용뿐만 아니라 화학 반응 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. "현재의 가설에 따르면, 전자 파동 함수의 이러한 역동적인 변화는 화학 결합의 형성 및 파괴에도 중요한 역할을 한다"고 물리학자들은 설명했다.

이번 연구 결과는 양자 기술 및 컴퓨팅에도 중요한 의미를 가질 수 있다. 레겐스부르크 대학교의 수석 저자인 루퍼트 후버(Rupert Huber)는 "장기적으로 이번 연구를 통해 얻은 통찰력은 전자 장치와 양자 정보 처리를 전자 운동의 고유 속도 한계, 즉 현재 지배적인 CMOS 기술보다 수십만 배 빠른 속도로 작동시키는 데 기여할 수 있을 것"이라고 설명한다.
출처: Simon Maier (레겐스부르크 대학교) 외, Nature Photonics, 2026; doi: 10.1038/s41566-026-01932-0

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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