절대영도 가까이서 물체 회전운동 얼렸다…초고감도 양자센서 이정표

이산화규소(실리카)로 이뤄진 나노구조체가 레이저 광 집게(붉은색)에 포획된 모습을 표현한 그림. 온도가 절대온도에 가깝게 극도로 냉각되면서 구조체의 회전 운동 궤적은 양자역학적 한계인 흰색 원뿔에 근접한다. University of Vienna/Stephan Troyer 제공

과학자들이 절대영도에 가까운 극저온에서 나타나는 물체의 회전운동을 제어·측정하는 데 성공했다. 연구성과는 극도로 작은 비틀림을 감지하는 초고감도 양자 센서 구현이나 다양한 물리학 가설 검증에 활용될 전망이다.

마르쿠스 아른트 오스트리아 비엔나대 물리학과 교수팀은 나노구조체의 회전운동을 이론적 최소치까지 제한하는 데 처음으로 성공하고 연구결과를 6일 국제학술지 '네이처 피직스'에 공개했다.

모든 입자는 움직이려는 운동에너지가 있어 항상 미세하게 떨리거나 회전한다. 입자의 운동에너지 수준은 열에너지로도 표현된다. 

절대영도인 0캘빈(K, 절대온도의 단위)은 영하 273.15℃에 해당한다. 고전물리학에서 절대영도는 입자의 모든 움직임이 멈추는 지점이다. 양자역학의 불확정성 원리에 따르면 입자는 절대영도에서도 유한한 에너지를 유지하며 최소한의 범위 내에서 불연속적으로 움직인다.

지난해 스위스 취리히연방공대 연구팀이 절대영도 근처에서 입자의 1차원 직선 운동의 양자역학적 최소값 관찰에 성공한 바 있다. 회전 운동 관찰은 더 어려울 것으로 예상됐다.

연구팀은 원자 약 1억개로 이뤄진 지름 150나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 이산화규소(SiO2, 실리카) 구체를 초고진공 상태에서 레이저로 공중부양시킨 뒤 절대영도에 가까운 20마이크로캘빈(μK, 1μK은 100만분의 1K)까지 냉각시키고 회전 운동을 관측했다.

온도가 절대온도 근처까지 낮아지자 실리카 구체의 회전 운동은 약 20마이크로라디안(μrad, 1μrad는 100만분의 1라디안) 범위에서 불확실성을 유지했다. 1라디안(rad)은 원의 반지름과 같은 길이의 호에 대한 중심각의 크기로 약 57.3도다. 구체가 회전운동을 하면서 그리는 원뿔 궤적의 끝부분은 원자 하나 지름의 100분의 1보다 작은 거리 안에서 움직였다. 

제1저자인 스테판 트로이어 비엔나대 연구원은 "나침반 바늘이 박테리아의 너비보다 더 정밀하게 방향을 잡는 것과 같다"고 설명했다.

연구팀은 "이 정도 정밀도로 회전을 제어하는 것은 차세대 양자 기술의 필수 조건"이라며 "실리카 '나노로터'는 약 1억개의 원자로 구성된 거대한 구조물임에도 양자 한계를 달성했다"고 밝혔다.

연구성과는 극도로 작은 비틀림을 감지하는 초고감도 양자 센서 기술 구현을 위한 중요한 이정표로 평가된다. 물체의 크기를 키우면서 양자역학과 고전역학 사이의 연결고리를 찾는 실험에도 활용될 수 있다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41567-026-03219-1

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]