준결정(quasicrystal)은 숨겨진 대칭성을 가지고 있다
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-02-12 21:45:24
3분 읽기
- 모든 준결정의 공통점은 회전이나 평행 이동에 대해 대칭이 아니라는 것
- 실험을 통해 준결정도 대칭성을 가지고 있음이 밝혀져
- 물리학자들, 펨토초 미만 범위에서 준결정에 새로운 종류의 질서가 나타난다는 것 발견
- 이러한 물질은 특히 내구성이 뛰어난 강철이나 복합 소재의 일부 노스틱 코팅에서 발견돼
준결정은 결정 구조의 일반적인 규칙에 어긋난다. 규칙적이고 항상 동일한 기본 단위 대신, 서로 다른 대칭을 갖는 단위가 번갈아 배열된다. 이는 축구공의 오각형과 육각형 가죽 조각과 유사하다. 이런 구조는 자연에서 극히 드물다. 지금까지 이런 구조가 발견된 것은 운석 몇 개, 번개가 친 후, 원자폭탄 실험 후에 불과하다. 모든 준결정의 공통점은 회전이나 평행 이동에 대해 대칭이 아니라는 것이다. 즉, 회전하거나 이동해도 구조가 자체적으로 일치하지 않는다.
집단 진동의 준결정
하지만 이제 실험을 통해 준결정도 대칭성을 가지고 있음이 밝혀졌다. 즉, 대칭성은 고차원 공간에 숨겨져 있다. 이스라엘 테크니온의 샤이 체세스(Shai Tsesses)와 그의 동료들은 특별한 종류의 준결정의 도움으로 이를 발견했다. 이것은 결정질 물질로 구성되지 않았지만 금 표면에서 집단 전자 진동에 의해 만들어졌다. 이러한 소위 플라스몬(Plasmon;플라스마에서 하전 입자들의 집단 진동을 양자화한 준입자)은 금속이 레이저 빛에 의해 여기될 때 형성된다.
이 실험에서 물리학자들은 금 표면에 오각형 모양으로 여러 선을 긁어서 중첩되는 파동의 특별한 패턴을 만들어냈다. 이것이 자극되면 5중 대칭을 지닌 준결정과 유사한 플라스몬 진동의 간섭 패턴이 생성된다. 테세스와 그의 동료들은 두 가지 다른 방법을 사용해 이러한 진동의 진폭, 위상, 벡터가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 조사했다.
필드 벡터는 숨겨진 대칭성을 드러낸다
측정 결과, 예상대로 이 준결정은 2차원 형태에서 대칭이 아니다. 하지만 이 진동 패턴의 필드 벡터의 진화를 살펴보면(전기장의 방향과 크기를 설명하는 매개변수) 펨토초 미만의 범위에서 물리학자들은 준결정에 새로운 종류의 질서가 나타난다는 것을 발견했다.
구체적으로, 이러한 대칭성은 준결정의 소위 위상적 전하에서 나타난다. 이는 모든 방향에서 보았을 때 기본 오각형 패턴의 중심을 중심으로 필드 벡터가 얼마나 자주 회전하는지 설명한다. 이 위상적 전하가 일정하게 유지된다면 그것은 고차원 대칭을 나타낸다. 실험 결과는 정확히 이것을 보여주었다.
"이것은 기초 연구의 흥미로운 결과다"고 슈투트가르트 대학의 공동 저자인 하랄드 기센(Harald Giessen)이 말했다. 실제로 대칭이 아닌 준결정은 4차원에서 숨겨진 더 높은 수준의 대칭을 갖는다.
40년 전 이론이 확인됐다.
체시스와 그의 동료들은 이 실험이 1980년대에 처음 제시된 이론을 확인해 준다고 설명했다. 따라서 준결정은 더 높은 차원의 투영으로 이해될 수도 있다. 2차원 큐브의 그림자가 실제 모양에 대한 단서만을 제공하는 것과 마찬가지로 준결정도 마찬가지다. 이 이론에 따르면 준결정은 대칭적인 4차원 격자가 3차원 공간에 투영된 것이다. 그러므로 준결정의 진정한 대칭성은 이 고차원에서만 분명해진다.
아직 기초 연구 단계다. 하지만 준결정은 매우 실용적인 역할도 한다. 예를 들어, 이러한 물질은 특히 내구성이 뛰어난 강철이나 복합 소재의 일부 노스틱 코팅에서 발견된다. 액체 준결정 역시 자가 조직화 및 자가 치유 소재의 가능한 구성요소로 연구되고 있다. 최근 연구자들은 최초의 강자성 준결정을 만드는 데도 성공했다. 그 특별한 특성으로 인해 첨단 기술 응용 분야에 적합할 수 있다.
"저희의 연구는 준결정의 열역학적 특성과 4차원 공간에서의 위상 물리학을 실험적으로 탐구할 가능성을 열어주었다"고 Tsesses와 그의 동료들은 썼다. 그러면 이는 새롭고 유용한 준결정 변형체의 개발로 이어질 수 있다.
(Science, 2025; doi: 10.1126/science.adt2495)
출처: Science, 슈투트가르트 대학교
- 모든 준결정의 공통점은 회전이나 평행 이동에 대해 대칭이 아니라는 것
- 실험을 통해 준결정도 대칭성을 가지고 있음이 밝혀져
- 물리학자들, 펨토초 미만 범위에서 준결정에 새로운 종류의 질서가 나타난다는 것 발견
- 이러한 물질은 특히 내구성이 뛰어난 강철이나 복합 소재의 일부 노스틱 코팅에서 발견돼
준결정(quasicrystal)은 숨겨진 대칭성을 가지고 있다
실험은 4차원에서 이국적인 구조의 대칭성을 증명
숨겨진 위상:
준결정은 실제로 회전 대칭이나 평행 이동 대칭이 아니다. 최근 물리학자들은 이러한 이국적인 구조에서 더 높은 수준의 대칭성을 발견했다. 그것은 더 높은 차원에 숨겨져 있다. 연구팀은 "Science"에 보고한 바와 같이 실험에서 이러한 대칭성은 준결정의 4D 토폴로지에서 명백히 드러났다. 이번 발견은 약 40년 전의 이론을 확인해 주는 것이지만, 실제적으로 활용될 수도 있다.
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| ▲ 물리학자들은 5중 준결정에서 숨겨진 고차원의 대칭 형태를 발견했다. © Florian Sterl / Sterltech Optics |
준결정은 결정 구조의 일반적인 규칙에 어긋난다. 규칙적이고 항상 동일한 기본 단위 대신, 서로 다른 대칭을 갖는 단위가 번갈아 배열된다. 이는 축구공의 오각형과 육각형 가죽 조각과 유사하다. 이런 구조는 자연에서 극히 드물다. 지금까지 이런 구조가 발견된 것은 운석 몇 개, 번개가 친 후, 원자폭탄 실험 후에 불과하다. 모든 준결정의 공통점은 회전이나 평행 이동에 대해 대칭이 아니라는 것이다. 즉, 회전하거나 이동해도 구조가 자체적으로 일치하지 않는다.
집단 진동의 준결정
하지만 이제 실험을 통해 준결정도 대칭성을 가지고 있음이 밝혀졌다. 즉, 대칭성은 고차원 공간에 숨겨져 있다. 이스라엘 테크니온의 샤이 체세스(Shai Tsesses)와 그의 동료들은 특별한 종류의 준결정의 도움으로 이를 발견했다. 이것은 결정질 물질로 구성되지 않았지만 금 표면에서 집단 전자 진동에 의해 만들어졌다. 이러한 소위 플라스몬(Plasmon;플라스마에서 하전 입자들의 집단 진동을 양자화한 준입자)은 금속이 레이저 빛에 의해 여기될 때 형성된다.
이 실험에서 물리학자들은 금 표면에 오각형 모양으로 여러 선을 긁어서 중첩되는 파동의 특별한 패턴을 만들어냈다. 이것이 자극되면 5중 대칭을 지닌 준결정과 유사한 플라스몬 진동의 간섭 패턴이 생성된다. 테세스와 그의 동료들은 두 가지 다른 방법을 사용해 이러한 진동의 진폭, 위상, 벡터가 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 조사했다.
필드 벡터는 숨겨진 대칭성을 드러낸다
측정 결과, 예상대로 이 준결정은 2차원 형태에서 대칭이 아니다. 하지만 이 진동 패턴의 필드 벡터의 진화를 살펴보면(전기장의 방향과 크기를 설명하는 매개변수) 펨토초 미만의 범위에서 물리학자들은 준결정에 새로운 종류의 질서가 나타난다는 것을 발견했다.
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| ▲ 금 표면에서 생성된 플라스몬의 준결정을 4차원 구조의 투영으로 간주하면 - 여기서는 4차원 큐브(테서랙트)로 설명됨 - 준결정 역시 대칭을 보인다. © Florian Sterl / Sterltech Optics |
구체적으로, 이러한 대칭성은 준결정의 소위 위상적 전하에서 나타난다. 이는 모든 방향에서 보았을 때 기본 오각형 패턴의 중심을 중심으로 필드 벡터가 얼마나 자주 회전하는지 설명한다. 이 위상적 전하가 일정하게 유지된다면 그것은 고차원 대칭을 나타낸다. 실험 결과는 정확히 이것을 보여주었다.
"이것은 기초 연구의 흥미로운 결과다"고 슈투트가르트 대학의 공동 저자인 하랄드 기센(Harald Giessen)이 말했다. 실제로 대칭이 아닌 준결정은 4차원에서 숨겨진 더 높은 수준의 대칭을 갖는다.
40년 전 이론이 확인됐다.
체시스와 그의 동료들은 이 실험이 1980년대에 처음 제시된 이론을 확인해 준다고 설명했다. 따라서 준결정은 더 높은 차원의 투영으로 이해될 수도 있다. 2차원 큐브의 그림자가 실제 모양에 대한 단서만을 제공하는 것과 마찬가지로 준결정도 마찬가지다. 이 이론에 따르면 준결정은 대칭적인 4차원 격자가 3차원 공간에 투영된 것이다. 그러므로 준결정의 진정한 대칭성은 이 고차원에서만 분명해진다.
아직 기초 연구 단계다. 하지만 준결정은 매우 실용적인 역할도 한다. 예를 들어, 이러한 물질은 특히 내구성이 뛰어난 강철이나 복합 소재의 일부 노스틱 코팅에서 발견된다. 액체 준결정 역시 자가 조직화 및 자가 치유 소재의 가능한 구성요소로 연구되고 있다. 최근 연구자들은 최초의 강자성 준결정을 만드는 데도 성공했다. 그 특별한 특성으로 인해 첨단 기술 응용 분야에 적합할 수 있다.
"저희의 연구는 준결정의 열역학적 특성과 4차원 공간에서의 위상 물리학을 실험적으로 탐구할 가능성을 열어주었다"고 Tsesses와 그의 동료들은 썼다. 그러면 이는 새롭고 유용한 준결정 변형체의 개발로 이어질 수 있다.
(Science, 2025; doi: 10.1126/science.adt2495)
출처: Science, 슈투트가르트 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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