양자 정보 및 모의실험에 활용할 수 있는 전자의 원운동 측정 방법이 개발돼 주목된다. 실험천체물리학합동연구소(Joint Institute for Laboratory Astrophysics, 이하 JILA)는 이온의 작은 전자들이 정말로 원형 운동을 하는지 측정하기 위해 고심했다. 그 결과 포획된(trapped) 분자 이온들 주위에 회전하는 전기장과 자기장으로 측정하는 방법(회전 트랩, Spinning Trap)을 개발했다. 관련 내용은 최신 연구 동향 및 기술 이슈를 다루는 미국표준기술연구소(NIST) 격주간 뉴스레터 <Tech Beat>에 지난달 5일 소개됐다(JILA Team Develops‘ Spinning Trap’to Measure Electron Roundness. 이하 인용 및 참고). JILA는 콜로라도대 볼더 캠퍼스와 NIST의 합동 연구 기관이다.

몇 십 년 전, 물리학자들은 전자의 궤도가 완전히 둥글다고 믿었다. 1980년대에는 전자의 궤도가 약간 비대칭이라는 생각이 우세했다. 하지만 여느 eEDM(electron’s electric dipole moment)은 측정하기에 너무 작았다. eEDM은 양전하와 음전하가 서로 거리를 두고 떨어져 있은 상태로서 전기쌍극자 모멘트라고 부른다. 이는 전자의 전기 쌍극자가 변하는 경향으로 물리학에서 극성 혹은 크기를 재는 하나의 척도이다. 현재 몇몇 이론은 eEDM의 가장 최근 측정치가 암시하는 것보다 약간 작을지 모르고, 아직 알려지지 않은 외부의 입자들에서부터 발생했을 수도 있다고 예측한다.

JILA 연구팀은 전자의 원운동에 대한 첫 번째 측정을 위해 그들의 새로운 방법인 회전 트랩을 활용했다. 전자의 원운동을 측정한다는 의미는 기술적으로 설명하자면, 전자들의 양극단 사이에 존재하는 전하의 동일성을 측정하는 것이다. 원형전자를 반으로 나누어 양(+)전하와 음(-)전하로 보자. 원자는 공전하고 원자핵 주변의 전자 또한 자전하는데 이때 원자의 두 전하가 존재하기 때문에 전류가 있고, 전기장이 발생하는 것이다. 자기 모멘트를‘작은 자석’이라고 생각하면 된다. 마치 자석의 N극에서 S극으로 자기장이 발생하는 것과 같다.

양전하에서 음전하로 전자가 이동한다. 이처럼 전류가 루프를 그리면서 만드는 자기장의 정도에 따라 전기 모멘트의 세기가 달라진다. 자석에 붙는 물질은 짝을 이루지 않고 두 물질 사이를 자유롭게 흐르는 자유전자가 있어 자석에 붙지 않는 물질에 비해 자기모멘트가 강하다. JILA 연구팀의 측량은 아직 다른 연구팀에서 만든 eEDM 측량처럼 정확하지 않다. 그러나 이번 연구의 주요 목적은 강력한 새 측정법으로 결국 최고의 eEDM 측정을 가능케 하려는 것이다.

연구 결과로 우주를 이해하는 주요 단초 마련

이번 연구에 참여한 물리학자 에릭 코넬은 “우리의 새로운 방법은 eEDM에 대해 더 나은 한계를 얻기 위함”이라며 “우리의 희망은 현존하는 제한을 뛰어넘어 발전된 결과를 얻고자 하는 것”이라고 말했다. 그러나 그러한 결과를 얻기 위해선 최소한 몇 년 이상의 시간이 걸릴 것이라는 게 그의 예상이다.

현재 과학자들은 자신들과 경쟁하고 있는 몇몇 이론들을 입증하거나 반대함으로써 eEDM 측정의 한계치를 밀어붙이기 위한 노력을 하고 있다. 최근 실험으로 밝혀진 상한치는 물리학자들의 표준 모델에 의한 측정보다 더욱 컸다. 자기모멘트 정도를 과학자들이 이론으로 측정해 보았는데 실험 결과 전류 루프가 만드는 자기장의 크기가 이론에 따른 위쪽의 한계값(상한치)보다 더 크게 나왔다는 의미이다. 하지만 표준 모델을 초대칭성으로 더 확대하면 실험의 한계와 유사한 값이 나온다. 과학자들은 더 정확한 측정값을 통해 앞으로 새로운 이론들을 실험해보길 기대하고 있다.

과학자들은 분자와 같은 큰 물체에 전자를 첨부해 그 전자들의 빠른 성질의 측정을 시도했다. JILA 연구팀은 하프늄 불소(hafnium fluoride) 이온들과 연관된 전자들에 초점을 맞췄다. 다시 말해 한 쪽 끝에 양의 전하와 다른 한 쪽 끝에 음의 전하를 갖고 있는 극성 분자들(polar molecules)이다. 극성 분자들은 10분의 1초(100 milliseconds) 동안 표적 상태로 머물 수 있도록 자기장으로 조작되고 포획될 수 있다. 이는 정확한 특정을 알아보기 위해 충분한 시간이다. 분자들 안의 자기장들은 eEDM의 잠재적 신호를 증폭하는 데 사용된다.

JILA 연구팀의 새로운 측정 방법은 회전하는 전기장과 자기장을 수반한다. 이러한 회전은 분자이온들을 포획하기에 충분히 빨라야 하고, 이온들이 전기장을 통해 나란히 정렬되기까지 충분히 느려야 한다. 과학자들이 이온의 성질을 측정하는 동안 이온들은 각각의 작은 원형(micro-circle) 안에서 회전한다. 지구의 공전과 자전을 떠올리면 이해에 도움이 된다. EDM은 일종의 두 자기 에너지 수준 차이다.

좀 더 정확한 측정값을 얻어내기 위한 노력

회전하는 전기장과 자기장 기술은 양자 정보를 실험하는 데 사용될 것이다. 큐비트[quantum bit. 큐비트는 양자 정보의 단위다. 큐비트는‘물질의 최소단위’를 의미하는 양자(quantum)와‘비물질의 최소단위’를 의미하는 비트(bit)의 합성어다. 비물질은 추상, 정신의 세계로 큐비트는 물질과 정신의 세계의 융합을 의미한다. 큐비트를 이용하면 물질을 양자로 만든 후 비트를 통해 다른 곳으로 이동시켜 다시 양자로 구성된 물질로 재구성 할 수 있음 시사한다. 예를 들어 3D 컴퓨터나 공간 이동 등을 생각해보면 된다. 단지 정보만을 의미하는 비트가 양자의 단위까지 포함한다면 실제적으로 더 오래 유지될 수 있을 것이다]는 일반적으로 사용되는 양자 상태들에 비해 전기와 자기 에너지 수준 안에서 좀 더 오랜 시간 정보를 갖고 있을 수 있기 때문이다. 아울러 분자 이온들의 상호 작용을 조정할 수 있는 능력은 회전에 기초를 둔 양자계의 시뮬레이션을 간소화할 수 있다. 더욱이 새로운 기술은 과학적 계산에 사용됐던 자연의 기초적인‘상수들’이 시간에 따라 어떤 변화들이 발생하는지 살펴보는 데 사용될 것이다.

김재호 학술객원기자