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미국 극저온원자센터(CUA)의 미하일 루킨 하버드대 물리학 교수와 블라단 불레틱 매사추세츠공과대(MIT) 물리학 교수가 공동으로 이끈 연구진이 광선검 같은 ‘광자 분자’를 생성하는 데 성공했다고 세계적인 과학저널 네이처(Nature) 25일 자를 통해 발표했다.
이 광자 분자는 지금까지 이론적으로만 존재했던 물질로 앞으로 광선검 같은 기술에도 응용할 수 있는 새로운 물질이라고 한다.
일반적인 광자는 서로 간섭하지 않아 질량이 없는 입자로 설명된다. 예를 들어 두 개의 레이저를 교차시키면 빛은 서로 그 접촉면을 통과한다.
이에 반해 연구진이 생성한 광자는 서로 강력한 결합 성질을 보여 마치 질량이 존재하는 것처럼 행동해 분자와 같은 구조가 된다고 루킨 박사는 설명했다.
본래 질량이 없는 광자를 합치는 데는 상당한 과정이 필요하다. 연구진은 레이저가 물속을 통과할 때 굴절하는 현상처럼 매체를 변화하는 실험을 진행했다.
먼저 루비듐 원자를 진공 상태에 두고 레이저 냉각 기술을 사용해 절대영도를 넘어설 때까지 원자구름을 냉각했다. 이어 매우 약한 레이저펄스를 사용해 단일 광자를 루비듐 원자구름 속을 통과시켰다.
그 결과, 구름 속 빛의 속도는 극도로 감소했다. 광자는 진공 상태에서 냉각된 원자에 에너지를 전달하면서 통과했고, 이때 통과한 빛은 물속처럼 빛의 정체성을 유지했다.
문제는 두 개의 광자를 통과시킬 때다. 두 개의 광자는 원자에 에너지를 전달하며 매체를 통과했지만, 마치 분자처럼 서로 간섭해 뒤섞인 상태가 됐다.
이 문제는 스위스의 물리학자 요하네스 뤼드베리가 세운 개념인 뤼드베리 차단(blockage)이란 영향 때문이라고 한다.
원자는 주위 원자와 같은 에너지 준위를 가질 수 없는 성질이 있기 때문에 2개의 광자는 구름을 통과할 때 에너지를 주면서도 그들에 눌리거나 갈라지고 찌그러지면서 이동을 계속하는 것으로 추정된다. 따라서 이러한 영향으로 광자 간에는 간섭의 영향으로 분자와 같은 성질을 띠게 된다고 한다.
이러한 개념은 아직 넘어야 할 기술적인 벽이 있지만 광선검은 물론 양자 컴퓨터, 크리스탈처럼 광자를 3차원으로 입체화해 출력하는 기술에도 응용할 수 있을 것이라고 연구진은 설명했다.
사진=영화 ’스타워즈’ 스틸컷
윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr
