1. 개요
time crystals
時間結晶
일반적인 결정은 공간적인 구성 인자들이 주기적 반복성을 보여주고 있는데, 이를 시간에 응용해서, 그 주기적 구조가 시간에 따라 반복성을 가지도록 구성한 물질이 타임 크리스탈(time crystals), 곧 시간결정(時間結晶)이다.
2. 상세
3차원의 결정 구조를 4차원으로 확장한 것으로, 시간에 따라 물질의 원자구조 등이 주기적으로 반복해서 변화하는 물질이며, 결정의 공간적 구조가 무한히 주기적으로 이어지는 것처럼 이 물질 역시 시간적으로 그 구조가 무한히 주기적으로 이어진다. 이 때문에 프랭크 윌첵은 이 개념을 설명하면서 이것이 자연계에 시계가 저절로 등장하는 것과 비슷한 개념이라고 말하기도 했다.시공간 결정(space-time crystal)이라는 명칭으로도 알려져 있으며, 우주의 열역학적 죽음 뒤에도 영원히 지속되는 시계라는 개념으로 제안되기도 했다.
2017년 3월, 실험으로 관측되어 실증되었으며, 메릴랜드대와 하버드대 연구팀 중 하버드 팀을 한국인 연구원 최준희, 최순원 2명이 포함되어 한국에서도 유명세를 탔다. 해당 논문은 네이처 표지 논문으로 실렸다. 하지만 그 다음날 박근혜 대통령 탄핵 심판이 있어 완전히 묻혔다.
이 실험은 자발 대칭 깨짐이 공간 뿐만 아니라 시간에서도 발생할 수 있다는 것을, 다시 말하면 이 경우 연속적 시간 병진 대칭성(time translational symmetry)이 불연속적 시간 병진 대칭성으로 깨지는 것을 최초로 관측해 확인한 사례라는 것에서 그 의의가 있다.
조금 자세히 설명하자면, 일반적인 결정은 연속적 시간 병진 대칭성을 가지고 있어서 t → t'으로 좌표변환을 해도 상관없으나, 타임 크리스탈은 시간에 따라 주기적 구조가 반복되기 때문에 t → t + nT로 변환이 된다. 즉 더 이상 연속적인 시간 병진 대칭이 아닌 '불연속적'(discrete) 시간 병진 대칭이 된다.
또한, 이는 열역학적으로 안정 상태에 도달하는 것이 불가능한 상태의 물질이기 때문에, 평형 시스템(equilibrium systems)에서 존재하기 어려운 여러 현상이 비평형적 시스템(non-equilibrium systems)에서 어떻게 드러나는가에 대한 시발적 연구라는 것이다.
2.1. 영구 기관?
2013년 2월 3일 아카이브에 올라온 어떤 글[1]에서에서는 바닥 상태(ground state)[2][3]에서 계속해서 회전하는 것을 설명하면서 '에너지 전달이 없는 네 번째 종류의 영구기관(perpetuum mobile of the fourth kind)'이라는 주장을 했다. 계속 회전하기 때문에 영구기관이긴 한데, 에너지를 생산하지 않으니 제1종 영구 기관이 아니며, 열을 일로 바꾸지 않으니 제2종 영구 기관이 아니고, 에너지를 저장하지 않으니 제3종 영구기관이 아니므로 새로운 4번째 종류의 영구 기관으로 정의해야 한다는 주장이다.그러나 영문위키피디아 등 제3종 영구 기관을 설명하는 곳 어디에도 에너지를 저장해야 한다는 설명은 없다. 즉, 기존의 분류에 따르면 이 장치는 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙)이나 제2법칙(엔트로피 법칙)을 어기지 않고 회전을 지속하므로 제3종 영구 기관이다. 물론 거시적인 세계에서 마찰이나 저항이 지속적인 움직임을 방해한다면, 미시적인 세계에서는 양자 상태를 유지하는 것이 어렵다. 저자들이 주장하는 타임 크리스털의 회전 역시 오랫동안 유지시키는 것은 어려우며 그 문제가 해결되어 실험으로 구현되어야 제3종 영구 기관으로 분류될 수 있을 것이다.[4]
3. 연구 및 실험
3.1. 기반 이론 및 연구 과정
이론의 시작은, 양자색역학의 대가인 프랭크 윌첵이 떠올린 아이디어로, 2012년 처음 논문으로 발표되었다. 상술했듯, 공간에서 결정의 구조가 무한하게 주기적으로 이어지는 것처럼, 이를 공간 뿐만이 아니라 시간에도 적용할 수 있다고 생각한 것이다. 윌첵은 이 가상의 물질이 에너지의 최저 상태 혹은 바닥 상태(ground state)에서 원형 궤도로 시간 주기적인 움직임을 가질 수 있다고 주장했으며, 학계에서는 이 이론의 세부와 그 재현 가능성에 대해 찬반이 오갔다. 실제로 이것이 이론적으로 불가능하다는 논문들이 나오기도 했다. 그러나 이후 노먼 야오(Norman Yao) 등이 그 실제적 구현 방식에 대해 연구를 내놓기 시작하면서부터 연구는 점점 실현의 영역으로 나아가기 시작했다. 리뷰3.2. 실험
3.2.1. 1차 관측
2017년, 메릴랜드와 하버드 2개 팀이 서로 다른 방식으로 실험을 시작했으며, 이 실험들의 청사진을 제공한 노먼 야오는 두 실험의 논문에 모두 공저자로 참여했다.
메릴랜드 팀은 장지에항(Jiehang Zhang) 교수와 크리스토퍼 먼로(Chris Monroe)교수를 주축으로, 전자기장으로 이온 트랩을 만든 후, 14개의 이터븀 원자를 이용해서 아주 작은 규모의 타임 크리스탈을 구현했다. 실험팀은 레이저를 이터븀 원자에 쏘아 자기 스핀을 뒤집는 것을 반복해 해당 원자를 흔들리게 만들었으며, 하나가 흔들리기 시작하면 다른 원자들도 흔들리기 시작하는 식으로 진행되었다. 그리고 일단 흔들리기 시작한 순간부터 해당 원자들이 계속 흔들리는 것을 관측할 수 있었으며, 또한 새로운 에너지를 주입하지 않아도 이 현상이 계속 지속되는 것도 확인했다. 또한 이 실험에서는 결정의 강도 역시 측정할 수 있었는데, 일정 수준의 교란에는 결정이 유지되지만 그 이상의 섭동 운동에서는 결정이 녹아 사라지는 것을 관측했다.
미하일 루킨(Mikhail Lukin)이 이끄는 하버드 팀은 박사과정의 최순원와 최준희, 레나테 란디히(Renate Landig)가 공동1저자로 참여했으며, 위 실험보다 더 대규모의 실험을 기획했는데, 블랙 다이아몬드를 이용, 그 내부의 질소 빈자리 결함(nitrogen-vacancy) 100만개를 자기장에 노출시켜 스핀을 측정하는 방식으로 좀 더 거시적 규모에서 해당 물질을 구현하는 데 성공했다.
이상의 연구는 2017년 3월 9일자 네이처지에 표지 논문으로 수록되었다.
3.2.2. 2차 관측
2021년 2월, 독일 - 폴란드 합동 연구팀에 의해 상온에서 보다 큰 규모의 시간 결정을 관측하는 데 성공했다. 관련 기사3.2.3. 3차 관측
2022년 6월, 독일 함부르크 대학교 레이저 물리학 연구소(Institute of Laser Physics)의 연구팀에 의해 연속적 시간 결정을 최초로 관측하는 데 성공했다. 관련 기사3.2.4. 4차 관측
2024년 1월, 독일 도르트문트 공과 대학의 연구팀에 의해 무려 시간 결정이 40분 동안 유지되었다. 이는 지금까지 입증된 것보다 1,000만 배 더 길고 잠재적으로 훨씬 더 오래 지속될 수 있다. 관련 기사4. 전망
4.1. 학술적 전망
4.2. 실용적 전망
양자컴퓨터 및 정밀계측, 알큐비에레 드라이브의 구현에 중요하게 쓰일 수 있다고 하는 듯 하다. 2021년 7월 30일, 구글도 타임 크리스탈을 구현해냈다고 한다. #5. 관련 문서
[1] 유의할 점은 이것은 논문이 아니다. 링크는 아카이브에 올라온 논문으로 출판되기 전의 원고다. 일반적으로 이공계에서 논문이라 하면 전문가에 의한 평가를, 이른바 동료평가를 거쳐 학술지를 통해 출판된 글을 뜻한다. 정식으로 학술지를 통해 출판되지 않았다면 원고나 글에 불과하다.[2] 주어진 양자역학적 계에서 가장 낮은 에너지를 가진 상태를 말한다. 절대영도의 경우 항상 바닥 상태에 해당한다.[3] 바닥 상태에서는 불확정성 원리에 의해 영점 에너지(zero point energy) 혹은 진공(vacuum) 에너지라고 하는 (1/2)h만큼의 에너지를 가진다. 여기에서 h는 플랑크 상수이다.[4] 마찰이나 저항이 없으면 단진자도 제3종 영구 기관이다. 제3종 영구 기관에서 중요한 것은 실제로 오랫동안 운동을 유지시킬 방법이지, 이론적인 설계가 중요한 것이 아니다. 자세한 설명은 영구기관 참조.