초저온에서 입자의 특이 거동

 

최근 알곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory) 및 RIKEN의 과학기술원

(RIKEN’s Advanced Science Institute) 연구진은 새로 발견된 특이한 입자 시스템

인 `스핀-1/2 보존(spin-1/2 bosons)` 사슬의 특성을 규명할 수 있는 일반적인 이론

을 수립하였다. 

 

우주에 존재하는 대부분의 입자들은 페르미온(fermions) 혹은 보존(bosons)이다. 

페르미온과 보존은 입자의 자기 모멘트(magnetic moment)를 결정하는 양자 역학 

성질인 스핀에 의해 구별된다. 전자와 양성자를 갖는 페르미온은 1/2 스핀을 갖는

다. 광자, 특정 원자 및 분자를 갖는 보존은 0 혹은 1의 배수 스핀을 갖는다. 하지만, 

최근 과학자들은 절대 온도 0도 근처로 냉각되면 원자 형태의 보존이 1/2 스핀을 갖

는 것처럼 거동할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 

 

극저온 보존 원자가 1차원 트랩에 갇히면, 각 원자는 두 가지 내부 상태 중 하나로 존

재하게 된다. 이러한 두 가지 상태는 스핀-1/2 입자의 업/다운 요소로 고려될 수 있

다. 기술적으로 볼 때 이는 이소스핀(isospin)-1/2 보존으로 간주되지만, 이론적으

로 볼 때 스핀과 이소스핀간의 차이는 거의 없다고 RIKEN의 아키라 푸루사키(Akira 

Furusaki)는 말한다. 연구진은 이와 같은 입자가 어떻게 상호작용하는지를 파악하

기 위한 이론을 구축하였다. 그들은 1차원에서 이소스핀-(1/2) 보존과 상호작용하

는 분광학적 특성에 대한 연구 결과를 보고하였다. 

 

1차원 페르미온 시스템은 양자 와이어 및 탄소 나노튜브와 같은 고체 시스템에서 실

험적으로 구현되기 때문에 수십 년 동안 연구되어 왔다. 결과적으로 이러한 재료의 

거동은 정립된 것으로 소위 토모나자-루팅거(Tomonaga?Luttinger) 이론에 의해 설

명된다. 이번에 보고된 연구진의 이론은 스핀-1/2 보존 사슬의 거동을 설명하기 위

한 골격을 제공한다. 

 

연구진은 보존 사슬의 스핀이 동일한 방향의 형태를 선호하는 반면 페르미온 사슬

의 경우 스핀이 반대 방향으로 정렬되는 것을 선호한다는 사실에 근거하여 이론을 

수립하였다. 이러한 특성은 스핀-1/2 보존 사슬이 사슬을 따른 입자의 밀도에 있어 

국부적인 섭동으로 형성된 음파(acoustic waves) 그리고 사슬을 따른 스핀의 배향

에 있어서의 어긋남으로 형성된 스핀파(spin waves) 모두에 근거한다는 것을 시사

한다. 

 

음파와 스핀파의 스펙트럼은 상당히 다르게 나타나며, 이는 초저온 스핀-1/2 보존 

원자 사슬이 상이한 주파수의 빛을 흡수하는 방식에 영향을 미치게 된다. 이러한 사

실은 연구진이 수립한 이론을 검사할 수 있는 직관적인 수단이며, 보존 시스템의 거

동에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 

 

[그림] 

페르미온(위) 사슬의 스핀은 반대 방향으로 위치하는 반면, 보존(아래) 사슬의 스핀

은 동일 방향으로 위치함. 후자의 경우 상이한 스펙트럼을 갖는 음파 및 스핀파 전이

가 나타남. 연구진의 이론에 따르면 이러한 차이점은 초저온 보존 원자의 1차원 시스

템이 상이한 주파수의 빛을 흡수하는 방식에 있어 명확하게 나타남.

 

 

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출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-06