철 나사와 다른 소위 강자성 물질은 작은 자석처럼 작용하는 전자를 가진 원자로 구성되어 있습니다. 일반적으로 자석의 방향은 물질의 한 영역 내에서 정렬되지만 한 영역에서 다음 영역으로 정렬되지 않습니다. 타임스퀘어에 있는 한 무리의 관광객들이 주변의 다른 광고판을 가리키고 있다고 생각해 보세요. 그러나 자기장이 가해지면 다른 영역의 자석, 즉 회전의 방향이 정렬되고 물질은 완전히 자화됩니다. 이것은 관광객 무리가 모두 같은 표지판을 가리키고 있는 것과 같습니다.
그러나 스핀이 줄을 서는 과정이 한꺼번에 일어나는 것은 아닙니다. 오히려 자기장이 가해지면 주변의 다른 영역, 이른바 영역이 영향을 미쳐 물질 전체에 변화가 뭉치게 됩니다. 과학자들은 이 효과를 눈사태에 비유하곤 하는데, 눈의 산자락 전체가 같은 방향으로 굴러 떨어질 때까지 작은 눈덩이 하나가 근처의 다른 덩어리들을 밀어 넘어뜨리기 시작합니다.
이러한 산사태 효과는 1919년 물리학자 하인리히 바르크하우젠에 의해 자석에서 처음으로 입증되었습니다. 자기 재료 주위에 코일을 감고 이를 스피커에 연결함으로써, 그는 이러한 자기장의 도약이 바르크하우젠 소음으로 알려진 균열음으로 들릴 수 있음을 보여주었습니다.
이제, the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 저널에 보고하면서, Caltech 연구원들은 Barkhausen 소음이 전통적인 혹은 고전적인 수단을 통해서뿐만 아니라 양자역학적인 효과를 통해서도 생산될 수 있다는 것을 보여주었습니다. 양자 Barkhausen 소음이 실험적으로 발견된 것은 이번이 처음입니다. 그 연구는 기초 물리학의 진보를 나타내며 언젠가 양자 센서와 다른 전자 장치를 만드는 데 응용될 수 있을 것입니다.
“바크하우젠 소음은 집단으로 뒤집히는 작은 자석들의 집합체입니다,” 라고 이 논문의 주요 저자이자 칼텍의 물리학 교수인 토마스 F. 로젠바움과 소냐와 윌리엄 데이비드오우 회장의 연구실에서 박사 후 학자인 크리스토퍼 사이먼이 말했습니다. “우리는 여러 번 행해진 것과 같은 실험을 하고 있지만, 양자 물질로 하고 있습니다. 우리는 양자 효과가 거시적인 변화를 이끌 수 있다는 것을 보고 있습니다.”
보통, 이러한 자기적 플립은 입자들이 에너지 장벽을 뛰어넘을 수 있는 충분한 에너지를 일시적으로 얻어야 하는 열 활성화를 통해 고전적으로 발생합니다. 하지만, 새로운 연구는 이러한 플립이 양자 터널링이라고 불리는 과정을 통해 양자역학적으로도 일어날 수 있다는 것을 보여줍니다.
터널링에서 입자는 실제로 장벽을 통과할 필요 없이 에너지 장벽의 반대편으로 점프할 수 있습니다. 이 효과를 골프공과 같은 일상적인 물체까지 확대할 수 있다면, 골프공이 언덕 위를 올라서 반대편으로 가는 것이 아니라 언덕을 똑바로 지나가는 것과 같을 것입니다.
“양자 세계에서 공, 또는 입자는 사실 파동이고, 그 중 일부는 이미 언덕 반대편에 있기 때문에 공은 언덕을 넘을 필요가 없습니다.”라고 사이먼은 말합니다.
새로운 연구는 양자 터널링 외에도 터널링 전자 그룹이 서로 통신하여 전자 스핀이 같은 방향으로 뒤집히도록 구동하는 공동 터널링 효과를 보여줍니다.
“클래식적으로, 스핀 그룹들이 뒤집히는 각각의 작은 눈사태들은 스스로 일어납니다”라고 칼텍의 물리학 교수인 다니엘 실레비치는 말합니다. “하지만 우리는 양자 터널링을 통해, 두 개의 눈사태들이 서로 동기화되어 일어난다는 것을 발견했습니다. 이것은 두 개의 큰 전자 앙상블이 서로 이야기하고, 그들의 상호작용을 통해 이러한 변화를 만든 결과입니다. 이러한 공동 터널링 효과는 놀라운 것이었습니다.”
그들의 실험을 위해, 연구팀의 구성원들은 절대영도에 가까운 온도로 냉각된 불화리튬이라는 분홍색 결정질 물질을 사용했습니다. 그들은 코일을 감고 자기장을 가한 다음 1919년 바크하우젠이 좀 더 단순화된 실험에서 한 것과 달리 전압의 짧은 점프를 측정했습니다. 관찰된 전압 스파이크는 전자 스핀 그룹이 자기 방향을 뒤집을 때를 나타냅니다. 스핀 그룹이 차례로 뒤집힐 때 일련의 전압 스파이크, 즉 바크하우젠 노이즈가 관찰됩니다.
이 소음을 분석함으로써, 연구원들은 고전적인 효과가 없어도 자기 눈사태가 일어나고 있다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 특히, 그들은 이러한 효과들이 물질의 온도 변화에 둔감하다는 것을 보여주었습니다. 이와 다른 분석 단계들은 그들이 양자 효과가 이러한 광범위한 변화에 책임이 있다는 결론을 내리게 했습니다.
과학자들에 따르면, 이 뒤집히는 영역들은 약 10억 개의 스핀을 포함하는 전체 결정에 비해, 최대 10억 개의 스핀을 포함할 수 있다고 합니다.
“우리는 최대 수조 개의 스핀을 가진 물질에서 이러한 양자적 행동을 보고 있습니다. 미시적 물체의 앙상블은 모두 일관성 있게 행동하고 있습니다.”라고 로젠바움은 말합니다. “이 연구는 우리 연구소의 초점을 나타냅니다. 우리가 무슨 일이 일어나고 있는지 정량적으로 이해할 수 있는 양자 역학 효과를 분리하는 것입니다.”
Rosenbaum 연구실의 또 다른 최근 PNAS 논문은 어떻게 작은 양자 효과가 더 큰 규모의 변화로 이어질 수 있는지에 대해서도 비슷하게 살펴봅니다. 이 초기 연구에서, 연구원들은 크롬 원소를 연구했고 서로 다른 길이 척도에서 작동하는 두 가지 다른 유형의 전하 변조 (한 경우에는 이온, 다른 경우에는 전자를 포함)가 양자역학적으로 간섭할 수 있다는 것을 보여주었습니다. “사람들은 오랫동안 크롬을 연구해 왔습니다,”라고 Rosenbaum은 말합니다. “하지만 양자역학의 이러한 측면을 이해하는 데는 지금까지 걸렸습니다. 우리가 거시적인 척도에서 연구할 수 있는 양자 거동을 밝히는 것은 간단한 시스템을 엔지니어링하는 또 다른 예입니다.”
“도메인 월 공동 터널링에 의해 유발되는 양자 바크하우젠 노이즈”라는 제목의 PNAS 연구는 미국 에너지부와 캐나다 국립 과학 및 공학 연구 위원회의 자금 지원을 받았습니다. 저자 목록에는 칼텍(Caltech)의 물리학 방문 연구원이자 브리티시 컬럼비아(British Columbia) 대학의 물리학 교수인 필립 스탬프(Philip Stamp)도 포함되어 있습니다.