물리학자들, 최초의 빛 "바람개비" 생성
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-08-25 20:15:02
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- 장난감 풍차처럼 감긴 매듭이라는 새로운 빛 구조를 만들어 냈다
- 이러한 3차원 여기 현상은 비교적 안정적이어서 양자 응용과 광자학 분야에서 유망
- 토론은 이전에 액정이나 자석과 같은 고체에서만 관찰. 광자장에서는 처음 관찰돼
- 레이저의 진동과 변동에도 불구하고 유지되며 먼지가 많은 공기 속에서도 분해되지 않아
빛의 나선, 홉피온 고리, 또는 빛의 뫼비우스 띠 등 전자기 복사와 전자기장은 광자의 스핀, 위상 또는 편광을 조작하여 생성되는 특이한 구조, 즉 위상 구조를 생성할 수 있다. 결과적으로 특수하고 입자와 유사한 특성을 가진 기하학적 구조가 형성된다. 이러한 3차원 여기 현상은 비교적 안정적이기 때문에 양자 응용 및 광자학 분야에서 유망한 후보로 여겨진다.
스핀 밀도 벡터의 꼬인 매듭
물리학자들은 이러한 광 토폴로지에서 새로운 돌파구를 마련했다. 바로 광자의 스핀을 새로운 유형의 매듭으로 꼬아 만든 것이다. 이 구조는 두 개의 반대 지점에 연결된 꼬인 리본과 유사하다. 중국 하얼빈 대학교의 하이준 우(Haijun Wu)와 그의 동료들이 설명했듯이, 위에서 보면 이 구조는 마치 화려한 장난감 풍차처럼 보인다.
이 실험을 위해 물리학자들은 일종의 프로그램 가능 홀로그램(광자의 궤도 각운동량과 스핀을 특별한 방식으로 조작할 수 있는 복잡한 광학 장치)을 통해 레이저 빔을 조사했다. 그 결과, 양쪽 끝에 고정된 스핀 밀도 벡터의 꼬인 소용돌이가 생성되어 소위 토론(toron)을 형성한다. 이러한 구조는 각각 특정 방향으로 꼬여 있는 카이랄 구조이지만, 꼬인 여기 띠가 양쪽 끝에서 점과 같은 단극으로 끝나기 때문에 극성 구조이기도 하다.
광자 토론 최초 검출
물리학자들이 빛줄기에서 이러한 토론을 구현한 것은 이번이 처음이다. 우 교수와 그의 연구팀은 "토론은 이전에 액정이나 자석과 같은 고체에서만 관찰되었을 뿐, 광자장(photon field)에서는 관찰된 적이 없다"고 기술했다. 이 "빛의 바람개비"는 겉보기에는 약해 보이지만 놀라울 정도로 견고하다. 물리학자들의 설명에 따르면 레이저의 진동과 변동에도 불구하고 유지되며 먼지가 많은 공기 속에서도 분해되지 않는다.
이 새로운 토론은 다재다능하다. 우 교수와 그의 동료들이 실험에서 발견했듯이, 광학 조건을 조작하여 특정 방향으로 변형할 수 있다. 예를 들어, 여기 대역의 꼬임 방향을 반전시킬 수 있다. 하얼빈 대학교의 선임 저자인 이지에 선(Yigie Shen)은 "그러면 바람개비가 두 개의 떠다니는 단극체로 분해된 후, 반대 방향의 연결로 다시 연결되는 것을 볼 수 있다"고 보고했다.
토론에서 호피온(Hopfion), 스커미온(Skyrmion), 또는 단극자 쌍으로
또한 놀라운 점은 이 빛 바람개비가 이전에 알려진 다른 위상 구조로 변형될 수 있다는 것이다. 셴은 "우리는 최초로 광자 토론(Toron) 뿐만 아니라, 빛의 스핀으로부터 다양한 위상 구조를 만들어냈다"고 말했다. 광학 조건을 약간만 변경하면 토론 바람개비는 도넛 모양의 호피온, 스카이르미온의 소용돌이, 또는 두 개의 연결되지 않은 단극자로 변할 수 있다.
셴은 "위상적 위상 전이를 통해 이러한 형태들을 제어된 방식으로 자유롭게 전환할 수 있다"고 말했다. 따라서 토론과 그 변형들은 광자학이나 양자 응용 분야 등에서 빛을 조작하고 활용하는 새로운 가능성을 열어준다. 물리학자들은 "광자 토론과 가변 단극자의 개발은 또한 중요한 빛-물질 상호작용과 위상 컴퓨터 과학을 탐구할 수 있는 플랫폼을 제공한다"고 말했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/8pb4-zy7c
출처: Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS
- 장난감 풍차처럼 감긴 매듭이라는 새로운 빛 구조를 만들어 냈다
- 이러한 3차원 여기 현상은 비교적 안정적이어서 양자 응용과 광자학 분야에서 유망
- 토론은 이전에 액정이나 자석과 같은 고체에서만 관찰. 광자장에서는 처음 관찰돼
- 레이저의 진동과 변동에도 불구하고 유지되며 먼지가 많은 공기 속에서도 분해되지 않아
물리학자들, 최초의 빛 "바람개비" 생성
광자 토론(Toron) 최초 검출 및 홉피온(hopfion)과 스커미온(skyrmion)으로의 변환
물리학자들이 장난감 풍차처럼 감긴 매듭이라는 새로운 빛 구조를 만들어냈다. 이는 자유롭게 떠 있는 광학장에서 이러한 "토론(toron:여러 선을 꼬아 만든 케이블)"을 최초로 검출한 것이다. 또한, 이례적인 점은 이 위상 구조가 광학 조건의 작은 변화만으로도 다른 특이한 구조로 변형될 수 있다는 것이다. 연구팀은 이 구조가 고리 모양의 홉피온과 스커미온 소용돌이에서 광자 단극체에 이르기까지 다양하다고 보고했다.
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| ▲ 물리학자들은 최초로 광자의 스핀을 바람개비 모양의 매듭, 소위 토론(toron)으로 감았다. © H. Wu, N. Mata-Cevera 외 |
빛의 나선, 홉피온 고리, 또는 빛의 뫼비우스 띠 등 전자기 복사와 전자기장은 광자의 스핀, 위상 또는 편광을 조작하여 생성되는 특이한 구조, 즉 위상 구조를 생성할 수 있다. 결과적으로 특수하고 입자와 유사한 특성을 가진 기하학적 구조가 형성된다. 이러한 3차원 여기 현상은 비교적 안정적이기 때문에 양자 응용 및 광자학 분야에서 유망한 후보로 여겨진다.
스핀 밀도 벡터의 꼬인 매듭
물리학자들은 이러한 광 토폴로지에서 새로운 돌파구를 마련했다. 바로 광자의 스핀을 새로운 유형의 매듭으로 꼬아 만든 것이다. 이 구조는 두 개의 반대 지점에 연결된 꼬인 리본과 유사하다. 중국 하얼빈 대학교의 하이준 우(Haijun Wu)와 그의 동료들이 설명했듯이, 위에서 보면 이 구조는 마치 화려한 장난감 풍차처럼 보인다.
이 실험을 위해 물리학자들은 일종의 프로그램 가능 홀로그램(광자의 궤도 각운동량과 스핀을 특별한 방식으로 조작할 수 있는 복잡한 광학 장치)을 통해 레이저 빔을 조사했다. 그 결과, 양쪽 끝에 고정된 스핀 밀도 벡터의 꼬인 소용돌이가 생성되어 소위 토론(toron)을 형성한다. 이러한 구조는 각각 특정 방향으로 꼬여 있는 카이랄 구조이지만, 꼬인 여기 띠가 양쪽 끝에서 점과 같은 단극으로 끝나기 때문에 극성 구조이기도 하다.
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| ▲ 광자 토론의 구조. 스핀 밀도 벡터는 두 단극점 사이에 띠를 형성한다. © Wu 외/arXiv 사전 인쇄본, CC 1.0 |
광자 토론 최초 검출
물리학자들이 빛줄기에서 이러한 토론을 구현한 것은 이번이 처음이다. 우 교수와 그의 연구팀은 "토론은 이전에 액정이나 자석과 같은 고체에서만 관찰되었을 뿐, 광자장(photon field)에서는 관찰된 적이 없다"고 기술했다. 이 "빛의 바람개비"는 겉보기에는 약해 보이지만 놀라울 정도로 견고하다. 물리학자들의 설명에 따르면 레이저의 진동과 변동에도 불구하고 유지되며 먼지가 많은 공기 속에서도 분해되지 않는다.
이 새로운 토론은 다재다능하다. 우 교수와 그의 동료들이 실험에서 발견했듯이, 광학 조건을 조작하여 특정 방향으로 변형할 수 있다. 예를 들어, 여기 대역의 꼬임 방향을 반전시킬 수 있다. 하얼빈 대학교의 선임 저자인 이지에 선(Yigie Shen)은 "그러면 바람개비가 두 개의 떠다니는 단극체로 분해된 후, 반대 방향의 연결로 다시 연결되는 것을 볼 수 있다"고 보고했다.
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| ▲ 홉피온의 토론으로의 변환. © Wu 외/arXiv 사전 인쇄본, CC 1.0 |
토론에서 호피온(Hopfion), 스커미온(Skyrmion), 또는 단극자 쌍으로
또한 놀라운 점은 이 빛 바람개비가 이전에 알려진 다른 위상 구조로 변형될 수 있다는 것이다. 셴은 "우리는 최초로 광자 토론(Toron) 뿐만 아니라, 빛의 스핀으로부터 다양한 위상 구조를 만들어냈다"고 말했다. 광학 조건을 약간만 변경하면 토론 바람개비는 도넛 모양의 호피온, 스카이르미온의 소용돌이, 또는 두 개의 연결되지 않은 단극자로 변할 수 있다.
셴은 "위상적 위상 전이를 통해 이러한 형태들을 제어된 방식으로 자유롭게 전환할 수 있다"고 말했다. 따라서 토론과 그 변형들은 광자학이나 양자 응용 분야 등에서 빛을 조작하고 활용하는 새로운 가능성을 열어준다. 물리학자들은 "광자 토론과 가변 단극자의 개발은 또한 중요한 빛-물질 상호작용과 위상 컴퓨터 과학을 탐구할 수 있는 플랫폼을 제공한다"고 말했다.
참고: Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/8pb4-zy7c
출처: Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics, CAS
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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