■ 4차원 시공간 물질 특징, 타임 크리스털

■ 4차원 시공간 물질 특징, 타임 크리스털

미국 하버드대 박사과정에 재학 중인 한국 학생들이 양자 역학 분야에서 기존 고정관념을 깨는 연구로 국제 학술지 ‘네이처’에 논문을 싣는 성과를 올렸다. 하버드 대학에서 물리학을 전공하고 있는 최순원(30)씨와 최준희(31)씨는 새로운 물질의 형태인 ‘타임 크리스털(time crystal)’을 세계 최초로 관측하는 데 성공했다. 시간에 따라 고체 물질 크리스털의 형태가 변하는 것을 실험적으로 입증했다고 밝혔다.

 

그동안 세계 물리학자들은 자연계에 존재하는 물질 속에서 ‘대칭성 ’이 어떻게 깨질 수 있는지 연구해왔다. 가령 물질이 액체나 기체 상태에서 고체로 변하는 것은 원자와 분자가 자유롭게 떠다니다가 규칙적으로 배열되면서 결정 구조를 갖는 것인데, 물리학자들은 이를 ‘공간에 관한 대칭성이 깨진다’고 표현한다. 자연에서 볼 수 있는 현상들은 대부분 대칭성이 깨지는 원리로 설명할 수 있다. 자연에서 흔히 나타나는 '자발 대칭 깨짐'(spontaneous symmetry breaking)이라는 현상이 시간 이동에 대해서도 발생한다는 점을 보였다는 점에서 의미가 크다.

 

이번 연구는 시공간을 어떻게 이해할 것인지에 대한 근본적인 질문을 던지는 성과인 동시에 가까운 미래에 양자 컴퓨터나 양자 정밀 계측 등의 개발을 위한 원천 기술로 응용될 수 있을 것으로 학계에서는 기대하고 있다.

 

공간적 주기성을 지니는 결정과 시간적 주기성을 지니는 시간 결정은 모두 '대칭'(symmetry)이라는 개념과 밀접한 관련이 있다. 물리학의 근본 법칙들은 모두 공간이나 시간에 따라 불변(不變·invariant)인 형태를 갖고 있으며, 이런 성질을 대칭이라고 한다.

 

예를 들어 공간을 평행 이동하거나 회전 이동하더라도 또는 시간이 흐르더라도 물리학의 근본 법칙이 변하지는 않는다. 이를 각각 '공간 병진(竝進) 대칭'(spatial translational symmetry), '회전 대칭'(rotational symmetry), '시간 병진 대칭'(time translational symmetry)이라고 부른다.

 

그러나 근본 법칙이 대칭적이라고 해서 나타나는 현상이 반드시 대칭적이라는 보장은 전혀 없다. 또한 물리 시스템이 대칭적이라고 하더라도 이 시스템에서 나타나는 '상태'가 반드시 모두 대칭적이라는 보장도 없다.

 

예를 들어 바닥에 똑바로 세워 놓은 원뿔의 꼭짓점에 구슬을 올려놓는 경우를 생각하면 시스템 자체는 분명히 회전 대칭적이다. 동서남북 어느 방향이든 다를 것이 없다. 그러나 구슬을 꼭짓점에 올려놓으면 그대로 머무르는 것이 아니라 그 아래 바닥으로 내려가면서 배치 방향이 정해져 버리고 난 후에는 회전 대칭이 깨진 비대칭 상태가 된다. 이런 식으로, 근본 법칙과 시스템은 엄연히 대칭적인데도 상태는 비대칭이 되어 버리는 것을 '자발 대칭 깨짐'(spontaneous symmetry breaking)이라고 한다.

 

자발 대칭 깨짐의 예는 자연계에 매우 많이 있다. 자석이 그 중 하나이다. 자화(磁化)되기 전 금속의 전자기적 성질은 모든 방향에 대해 회전 대칭이지만, 일부 금속의 경우 일정 온도 이하로 내려가서 자화가 이뤄지면 거의 같은 방향으로 N극과 S극이 정렬되면서 자석이 된다.

 

또 다른 대표적인 예 중의 하나가 바로 결정이다. 결정은 원자들이 일정한 공간적 주기성(periodicity)를 가지고 배치된 상태를 가리킨다. 결정이 형성되기 전에는 물질이 균질해서 '특별한 위치'나 '특별한 방향'이 없지만, 결정이 형성되면서 기준점이 정해지면 이를 기준으로 원자들이 배치되면서 '특별한 위치'와 '특별한 방향'이 생긴다.

 

이런 의미에서 결정은 '연속적(continuous) 공간 대칭'이 자발적으로 깨져 버리고, 그 대신 일정한 공간적 주기를 지닌 '비연속적(discrete) 공간 대칭'이 들어선 것이라고 할 수 있다. 강한 공간 대칭이 깨지고 그보다 약한 공간 대칭으로 대체되는 것이다.

 

그런데 이와 유사한 현상이 공간에 대해서만 존재하는 것이 아니라 시간에 대해서도 존재할 수 있다는 아이디어가 바로 '시간 결정'이다. '연속적 시간 병진 대칭성'이 자발적으로 깨지고 '비연속적 시간 병진 대칭성'이 들어선다는 것이다. 결정에서 격자의 크기에 해당하는 고유의 '공간 주기'가 있는 것과 마찬가지로, 시간 결정은 고유의 '시간 주기'를 가진다.

 

'시간 결정'이라는 아이디어는 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 석좌 교수이며 2004년 노벨 물리학상을 받은 이론 물리학자 프랭크 윌척이 2012년에 처음 제안했다. 그는 영국 케임브리지 대학에서 열린 스티븐 호킹 교수 칠순 기념 심포지엄에서 이 개념을 설명하면서 "자연계에서 '시계'가 저절로 등장한다는 것과 같은 얘기"라고 설명했다. 시간적 주기성을 지닌 현상이 자발적 대칭 깨짐을 통해 생겨난다는 점이 시간 결정의 핵심 특징이라는 의미이다.

 

시간 결정의 개념은 그 후 여러 과학자들의 반박·재반박과 아이디어 제시. 증명 등 논쟁 과정을 거쳐 이론적으로 정립됐다. 이 과정에서 시간 결정이 만들어질 수 있으려면 충족돼야 할 구체적 조건이 밝혀지고, 실험으로 이를 구현하기 위한 아이디어도 나왔다. 평형 상태에서 존재할 수 있는 결정과 달리, 시간 결정은 비평형 상태에서만 존재할 수 있어서 외부로부터 주기적 자극을 받아야 한다.

 

2012년 노벨 물리학상 수상자인 미국 매사추세츠 공대(MIT)의 프랑크 윌첵 교수는 공간이 아닌 시간상에서도 대칭성이 깨지는 ‘타임 크리스털’이 구현 가능하다고 주장해왔다. 이후 많은 물리학자들은 타임 크리스털 구현을 시도해왔지만, 통상적인 방법으로는 불가능하다는 결론을 내렸다.

 

최순원. 최준희씨의 공동 연구는 이처럼 불가능하다고 여겨온 타임 크리스털을 처음으로 가능하게 했다. 두 사람은 다이아몬드 속에 존재하는 인공 원자 100만 개를 사용하는 방법을 이용했다. 네이처는 ‘하버드 대학팀이 통계 물리학으로 설명되지 않는 새로운 양자 역학적 물질의 상태를 구현해낸 것은 세계 최초이며, 상당히 이례적’이라고 평가했다.

 

최순원씨와 최준희씨는 각각 대전 과학고와 한성 과학고를 2년 만에 조기 졸업한 영재이다. 순원씨는 이후 미국 캘리포니아 공대를 수석 졸업하고 하버드대 물리학과에 들어갔다. 최준희씨는 고교 조기 졸업 후 KAIST에 입학하여 역시 수석 졸업했다. 두 사람은 하버드대 물리학과 박사 과정에 들어가면서 공동 연구를 하게 됐다. 최준희씨는 “타임 크리스털의 발견은 놀라운 것이지만, 그 성질에 대한 이해는 아직 초기 단계”라며 “앞으로 매우 흥미로운 연구 주제가 많이 나올 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 네이처 2017년 03월 09일자 온라인에 게재됐다.