미국 예일대 연구팀이 시간결정을 발견한 일인산암모늄 결정. 결정 안에 있는 원자핵의 스핀이 전파 펄스에 노출되면 일정한 주기로 바뀐다. 출처 : 예일대(MICHAEL MARSLAND)
미국 예일대와 인도 연구팀이 두 가지 새로운 재료로 시간결정(time crystal)을 만드는 데 잇달아 성공했다.
미국 예일대 연구팀은 최근 고체인 일인산암모늄(monoammonium phosphate, MAP) 고체에서 시간결정(타임 크리스털)을 창조했다. 이 연구는 5월 4일자 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’와 5월 1일자 '피지컬 리뷰 B(Physical Review B)’에 게재됐다.
또 인도 과학교육센터 연구팀은 별 모양의 분자를 포함한 액체 물질에서 시간결정을 만들었다. 이 연구는 5월 4일자 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 실렸다.
시간결정은 거리(공간)가 아니라 일정한 시간 간격으로 패턴을 반복하는 물질이다. 일상에서 보는 결정은 원자의 배열이 공간에서 반복되는 것인데, 시간결정은 그 배열이 시간적인 주기적으로 반복된다.
육안으로 볼 때 시간결정은 보통의 결정처럼 보인다. 그러나 시간결정 원자는 실제로 진동한다. 한 방향으로 회전하다가 어느 순간 반대방향으로 회전하는데, 일정한 주기로 이를 반복한다. 그리고 전파 펄스에 노출되면 스핀 방향이 바뀐다.
특히 신기하게도 펄스가 불규칙하더라도 시간결정의 ‘똑딱거림’이라 불리는 진동은 일정한 주파수에 고정되어 있다. 시간결정을 자연이 만든 영구시계라 부르는 이유다.
시간결정(타임 크리스털)은 노벨물리학상 수상자 프랭크 윌첵이 ‘대칭성 깨짐’ 개념으로 2012년 그 존재를 처음 예언했다. 불과 4년 후인 2016년 UC 버클리 연구팀이 그 존재를 이론적으로 증명했다.
그리고 그해 한국인이 포함된 메릴랜드대학 연구팀은 원소 이터븀(ytterbium)을 이용해, 하버드대학 연구팀은 결함 다이아몬드에서 각각 독립적으로 시간결정을 만드는 데 성공해 과학계를 뜨겁게 달구었다.
두 가지 시간결정(타임 크리스털)은 모두 스핀(spin)이라는 양자 속성에 의존한다. 시간결정 속에서는 스핀의 방향이 일정한 시간 간격, 즉 주기적으로 바뀐다. 전파(radio wave)는 이 같은 스핀의 뒤집힘을 촉발하는 데 사용되었다. 그러나 스핀이 완벽하게 뒤집히지 않았을 때도 두 재료에서는 시간결정 구조를 보여주었다.
일인산암모늄에서 시간결정을 발견한 예일대 연구팀. 외쪽부터 자렛 로브니, 로버트 블룸, 시언 바레트. 출처 :예일대
이번 예일대의 일인산암모늄 시간결정은 다른 연구팀의 사례와 달리 질서정연한 물리적 구조, 즉 전통적인 고체 물질에서 만들었다는 점에서 각별한 관심을 모은다. 일인산암모늄은 흔히 볼 수 있는 비료나 어린이 장난감인 ‘수정성장 키트’에 포함된 물질이기 때문이다.
예일대의 시간결정은 앞선 연구들에서 영감을 받았지만 메릴랜드대학과 하버드대학의 발견과는 다르다.
예일대의 연구팀 논문의 제1저자인 시언 바레트(Sean Barrett)는 “새로운 시간결정을 찾기 위해 일인산암모늄 결정을 성장시켜 그 결정에 핵자기공명을 적용한 끝에 명확한 시간결정 기호를 발견할 수 있었다”고 말했다.
바레트는 “우리의 연구는 시간결정이 원칙적으로 어린이들의 ‘수정성장 키트’를 통해 발견될 수 있음을 시사한다”고 말했다.
시간결정은 엄청난 응용 잠재력을 갖는다. 우선 우리가 추구하는 가장 정확한 시계, 즉 원자시계의 기술을 한 차원 높일 수 있다. 이에 따라 원자시계에 의존하는 자이로스코프와 위성항법장치(GPS) 기술을 향상시키는 것은 물론 정교한 양자얽힘 실험에도 도움이 될 수 있다.
보통의 결정에서 시간결정이 발견된다는 것은 유용하고도 흥미로운 사실이지만 과학자들에게는 새로운 숙제를 던진다. 즉, 일반 결정에서 시간결정이 생기는 이유 혹은 그 메커니즘을 찾아내야 하는 것이다. 또한 왜 모든 보통 결정이 시간결정 기호를 나타내지 않는가? 라는 의문에도 답해야 한다.
시간결정(타임 크리스털) 연구의 초시계가 점점 빨라지고 있다.
# 기사 출처: Science Alert, Physicists Just Found Time Crystals in a Common Item You Can Buy at The Toy Store Science News, 'Time crystals' created in two new types of materials
저작권자 ⓒ 인저리타임, 무단 전재 및 재배포 금지