에너지 임계값을 초과해도 분리되지 않는 이유
일반적인 분자 물리학에서는 원자 간 결합을 유지하기 위해 계의 에너지가 특정 임계값 이하여야 한다. 그 이상이면 원자들은 자발적으로 분리(해리)된다. 그러나 RPTU의 Artur Widera 교수 연구팀은 이 고전적 직관이 깨지는 사례를 실험으로 포착했다. 연구팀이 관측한 상태는 에너지만 놓고 보면 원자들이 충분히 분리될 수 있음에도, 양자 간섭(quantum interference) 효과가 붕괴 경로 자체를 차단하면서 결합이 유지되는 프리드리히-빈트겐(Friedrich–Wintgen) BIC다. 이 현상은 1985년 이론으로 예측된 이후 광학·음향 계에서 유사한 효과가 보고된 바 있으나, 초냉각 원자 충돌계에서 의도적으로 구현된 것은 이번이 처음이다.
양자 간섭이 붕괴를 막는 메커니즘
물질의 파동성에 의하면, 분자의 붕괴는 여러 경로를 통해 일어날 수 있으며 각 경로마다 고유한 양자파(quantum wave)가 대응된다. 이때 두 붕괴 경로의 파동이 정확히 반대 위상으로 겹치면 서로를 소거한다. 연구팀은 이 원리를 능동형 소음 차단 헤드폰과 유사하게 설명한다. 헤드폰이 소음 파형의 역파를 생성해 소음을 지워버리듯, 두 붕괴 경로의 양자파가 상쇄 간섭을 일으켜 분리 과정 자체를 봉쇄한다는 것이다. 결과적으로 분자는 에너지 조건만으로는 반드시 붕괴해야 할 상황에서도 묶인 상태를 유지한다.
실험 방법: 급속 진동 자기장과 플로케 변조
실험의 열쇠는 연구팀이 2025년 Science Advances에 발표한 플로케(Floquet) 기반 제어 기술이다. 급속으로 진동하는 자기장을 활용하면 초냉각 기체 내 원자 간 상호작용을 정밀하게 조정할 수 있다. 이번 연구에서 팀은 리튬 원자를 절대영도 대비 약 1마이크로켈빈(μK) 수준까지 냉각한 뒤, 자기장 조율을 통해 원자가 특히 강하게 상호작용하는 두 개의 분자 공명 상태를 근접 배치했다. 이를 통해 붕괴를 소거하는 간섭 조건이 충족됐다. BIC의 존재는 세 가지 측정으로 검증됐다. 첫째, 간섭 보호 효과 없이는 훨씬 많은 원자가 계에서 소실돼야 하므로 원자 손실 비율을 측정했다. 둘째, 원자 구름의 시간적 동역학을 추적했다. 셋째, 고주파 분광법으로 분자 상태를 직접 탐침했다. 세 가지 관측 결과가 일관된 실험적 특징을 나타냈다.
의미와 한계
이번 성과는 40여 년 전 이론 예측을 양자 물리 실험 최전선인 초냉각 원자계에서 처음으로 실증했다는 점에서 기초 물리학적 의미가 크다. 또한 양자계가 환경과 상호작용하는 방식을 간섭 메커니즘으로 제어할 수 있다는 가능성을 열어, 양자 센서·양자통신·양자컴퓨터에서 중요한 과제인 결어긋남(decoherence) 억제 연구에 새로운 접근법을 제시할 수 있다. 다만 현재 성과는 초냉각이라는 극한 조건에서 원자 두 개 수준의 계에 국한된 원리 증명 단계이며, 실용적 양자 기술로 확장하려면 다체계(many-body system)에서의 적용 가능성을 별도로 검증해야 한다.
원문 인용
“The wave nature of matter allows a state to remain bound even though we would normally expect it to decay.”
“It is a striking example of how quantum physics can transform an expected loss mechanism into a protective one.”
전문은 원문에서 읽으세요
이 글은 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Quantum interference keeps two atoms bound despite enough energy to break apart
