자기 자신에게서 관찰되는 새로운 행동

Sep 25, 2023

2023년 1월 18일

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펜실베니아 주립대학교 샘 숄티스(Sam Sholtis)

특별히 구조화된 유리를 통해 강제로 서로 상호 작용하는 빛의 입자(광자)는 전자로 시연하여 1998년 노벨 물리학상을 수상한 현상인 "분수 양자 홀 효과"를 연상시키는 동작을 보여줍니다. Penn State 연구진은 매우 강력한 레이저에서 나오는 빛의 움직임이 유리를 통과할 때 "분할화"된다는 사실을 입증했습니다. 이는 복잡한 환경에서 발생하는 물리학에 대한 우리의 근본적인 이해를 더해주는 창발적 특성입니다.

펜스테이트 물리학과 교수이자 이번 연구팀의 리더인 Mikael Rechtsman은 "전자는 전하를 띤 입자이며 그 전하는 자연의 기본 상수입니다."라고 말했습니다. "분수 양자 홀 효과에서는 특정 조건에서 서로 상호 작용하는 전자가 해당 전하의 일부를 가진 입자처럼 행동하고 잠재적으로 보다 강력한 양자 컴퓨팅에 사용될 수 있음이 나타났습니다. 이제 우리는 근본적으로 다음과 같은 현상을 시연했습니다. 전자 버전과는 다르게 빛 자체와 상호작용하는 빛에 대해 다른 종류의 분할이 발생할 수 있음을 시사합니다."

전자와 달리 광자는 일반적으로 전하가 없기 때문에 서로 상호 작용하지 않습니다. 그러나 충분히 강한 레이저가 있고 해당 전력에 반응하는 물질을 통과시키면 물질이 광자 사이의 상호 작용을 효과적으로 중재하므로 광자가 상호 작용하는 것처럼 동작합니다. 즉, 광자가 물질에 영향을 주어 서로 영향을 미치는 것입니다. 연구진은 광섬유처럼 통과하는 복잡하게 구조화된 "도파관" 배열을 갖춘 특수 유리 소재를 설계하여 광자가 "솔리톤"이라고 불리는 물체로 뭉치도록 했습니다.

Rechtsman은 "일반적으로 레이저의 빛은 광원에서 퍼지거나 회절하지만 솔리톤은 회절하지 않습니다."라고 말했습니다. "그들은 고정된 폭을 유지하면서 빛의 속도와 같은 속도로 유리를 통해 앞으로 전파됩니다."

도파관은 2차원의 반복 단위로 생성됩니다. 첫째, 광섬유와 유사한 각 개별 도파관은 진행하는 빛의 방향을 따라 주기적으로 반복되는 지그재그 패턴으로 유리를 통해 흔들립니다. 둘째, 서로 동일한 섬유 그룹이 유리를 가로질러 레이저 빔의 양쪽으로 반복됩니다.

비교적 저전력 레이저를 사용한 이전 연구에서 연구진은 솔리톤이 유리를 통해 전파됨에 따라 정수 배수의 도파관 패턴을 뛰어넘을 수 있음을 보여주었습니다. 두 단위만큼 오른쪽으로 이동하고 한 단위 앞으로 이동할 수 있습니다. 이는 2/1 또는 "양수 2"의 변화입니다. 또는 예를 들어 "음수 1" 변경을 위해 왼쪽 한 단위로 점프하고 한 단위 앞으로 이동할 수 있지만 변경 내용은 항상 정수였습니다.

Rechtsman은 "이제 레이저의 출력을 증가시킴으로써 우리는 부분적인 변화를 목격하고 있습니다"라고 말했습니다. "따라서 솔리톤은 두 단위 앞으로 이동하는 동안 한 단위만큼 이동할 수 있습니다. 즉, 1/2 또는 1/2의 변화입니다. 흥미로운 점은 전자와 광자가 완전히 다른 입자이고 우리가 측정하는 특성이 완전히 다르다는 것입니다. 두 경우 모두 입자가 점점 더 강하게 상호 작용하도록 함으로써 분할화를 볼 수 있습니다. 불행하게도 이것을 아는 것이 광섬유 케이블을 자동으로 더 좋게 만들지는 않지만 빛에서 이 창발 속성을 보는 것은 보이는 창발 속성을 연상시킵니다. 전자 분야에서는 복잡한 물리적 환경에서 새롭게 나타나는 현상을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다."