2024년 3월 29일 중국 언론사 인민망(人民网)에 따르면, 난징대학교(南京大学)의 물리학과 두링지에(授领衔) 교수가 이끄는 국제 연구팀이 극한 조건에서 편광(Polarized light) 및 * 산란(Scattering)** 기술을 이용해 갈륨비소(갈륨과 비소,GaAs), 양자샘(quantum well),*** 분수양자 홀 효과****의 집단 자극을 측정했다고 한다. 세계 최초로 응집된 물질에서 중력자(graviton)***** 및 여기(勵起,excitation)******의 새로운 준입자(準粒子)*******가 관찰되었다는 사실을 발견한 것이다. 이와 관련된 연구 결과는 3월 28일(현지시간) 네이처(自然) 사이트에 게재되었다.
중력자에 대한 연구는 항상 물리학 분야에서 핵심적인 사안 중 하나였다. 최근 몇 년 동안 일부 이론 물리학자들은 중력자 여기에 분수 양자 홀 효과가 있을 수 있다고 제안했다. 이에 두링지에 교수는 “중력자 여기란 응집 물질의 준입자 또는 집단 여기 현상에 따라 중력자적 특성을 가지고 있지만, 실제 입자는 아니다. 분수양자 홀 효과는 기하학 이론의 중요한 결과물로서 응집 물리학 연구에 매우 중요하다. 하지만 안타깝게도 분수양자 홀 효과의 연구는 미스터리 같은 존재라서 그동안은 발견되지 못했다”라고 전했다.
2019년 두링지에 교수팀은 분수 양자 홀 효과에서 다른 새로운 집단의 여기를 발견했다. 이론 물리학자들에 의해 이 효과는 중력으로 간주되었고, 중력자를 감지하는 새로운 스핀 측정 방식이 제안되었다. 몇 년 전만해도 두링지에 교수팀에는 분수양자 홀 효과 연구에 필수적인 국내외 요구사항을 충족하는 장비가 없었다. 일반적인 비탄성(inelastic)******** 광 산란과 달리 이 실험은 장비 구입에 필요한 요구 사항이 많아 항상 어려움을 겪었다. 두링지에 교수팀도 이번 연구를 설계 및 연구하는 데 3년 이상을 보냈다. 최종적으로 연구에 사용한 2층 높이의 망원경은 섭씨 영하 273.1도에서 10기가헤르츠(GHz) 정도의 약한 여기 현상을 포착하고, 회전하는 것을 확인할 수 있게 되었다. (출처 : 百度)
이처럼 망원경 기술의 발전은 분수 양자 홀 효과와 같은 어려운 현상을 관찰할 수 있는 새로운 가능성을 제공하게 되었다. 더 높은 해상도를 가지는 장점 뿐만 아니라 미세한 신호를 높은 감도로 감지할 수 있게 된 것이다. 또한, 좀 더 다양한 각도와 조건, 환경에도 관찰을 가능하게 한다. 분명 발전된 망원경 기술은 분수 양자 홀 효과와 같은 어려운 현상을 보다 효과적으로 이해 및 응용하는 데 도움이 될 것이다. 더불어 더 나은 나노 기술, 양자 기술, 의학 등 다양한 분야에서도 혁신적인 발전을 이끌어내기를 기대한다.
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*편광(Polarized light) : 빛의 편광 방향, 즉 빛의 전기장의 방향이 일정하게 고정되거나 규칙적으로 바뀌는 빛을 말한다. (출처 : 네이버 지식백과)
**산란(Scattering) : 일반적으로는 균일한 매질 내에서 직진하고 있는 입자나 파동이 균일하지 않는 부분이나 다른 입자와 상호작용을 하여 그 경로가 바뀌는 것을 가리킨다. (출처 : 네이버 지식백과)
*** 양자샘(quantum well) : 전자가 빠지기 쉬운 영역을 만들어 둔 미세구조이다. (출처 : 네이버 지식백과)
****분수양자홀 효과 : 전자가 낮은 온도, 높은 자기장 조건에서 2차원 전자계에 구속되어질 때 홀전도도가 자기장에 대하여 양자화 하는데, 이때 계수가 분수인 경우 분수 양자 홀 효과라고 한다. (출처 : 네이버 지식백과)
*****중력자(graviton) : 중력자는 양자 중력이론에서 예측된 입자로서 중력을 매개하는 근본 입자이다. (출처 : 네이버 지식백과)
******여기(勵起,excitation) : 양자역학적 상태 중 에너지가 가장 낮은 바닥 상태보다 에너지가 높은 상태를 의미한다. (출처 : 네이버 지식백과)
*******준입자(準粒子) : 다입자체의 진동ㆍ파동 현상을 양자 역학적으로 양자화할 때 생기는 가상적인 입자를 말한다. (출처 : 네이버 국어사전)
********비탄성(inelastic) : 고탄성을 보이지 않는 겔을 말한다. (출처 : 네이버 지식백과)