Discovery of a non-Hermitian phase transition in a bulk condensed-matter system

물리학의 세계에서 물질은 대개 균형 상태로 자리 잡습니다. 자석이 냉각될 때, 내부의 원자들은 특정한 질서에 따라 정렬되며, 물질은 예측 가능한 방식으로 그 성질을 변화시킵니다. 이것은 열적 평형 상태, 즉 에너지가 고르게 분포되어 있고 시간이 앞으로 흐르든 뒤로 흐르든 물리 법칙이 동일하게 적용되는 상태에서 일어나는 근본적인 변화인 상전이입니다. 수십 년 동안 과학자들은 물이 어는 것부터 금속의 초전도 현상에 이르기까지, 다양한 조건에서 물질이 어떻게 행동하는지 이해하기 위해 이러한 전이를 연구해 왔습니다. 그러나 자연에는 이러한 차분한 균형에서 훨씬 벗어난 상태도 존재합니다. 시스템이 빛의 폭발과 같은 외부 힘에 의해 강하게 구동될 때, 시스템은 에너지가 끊임없이 주입되고 손실되는 혼돈스러운 비평형 상태에 진입할 수 있습니다. 이러한 극한 조건에서는 통상적인 대칭성의 법칙이 무너지며, 조용한 휴식 상태의 시스템에서는 존재할 수 없는 완전히 새로운 종류의 행동으로 가는 문이 열립니다.

연구팀은 이제 응축물질 물리학의 이론적 영역과 만질 수 있는 실체적 세계 사이의 간극을 메우는 발견으로서, 이러한 포착하기 어려운 행동 중 하나를 단단한 고체 블록 내에서 포착해 냈습니다. 강자성 반도체인 유로퓸 옥사이드(europium oxide) 결정을 사용하여, 과학자들은 초고속 레이저 펄스를 이용해 결정이 평형 상태에서 벗어나도록 충격을 가했습니다. 결정이 빛을 반사하는 방식을 시간에 따라 정밀하게 측정함으로써, 그들은 물질이 다시 휴식 상태로 돌아가는 방식에서 극적인 변화를 관찰했습니다. 특정 온도에서 물질의 반응은 단순하고 예측 가능한 감쇠에서, 표준적인 평형 물리학의 규칙을 거스르는 복잡한 진동 패턴으로 변했습니다. 이 전이는 비-에르미트(non-Hermitian) 상전이의 도래를 의미하며, 이는 시스템의 역학적 본질 자체가 임계점에서 변화하여 정적인 구조가 아닌 운동에 의해 정의되는 새로운 물질 상태를 만들어내는 현상입니다.

실험은 유로퓸 옥사이드 단결정을 절대 영도 근처에서 상온에 이르는 다양한 온도로 냉각한 실험실에서 진행되었습니다. 연구진은 짧고 강렬한 레이저 빛 펄스를 결정에 발사했는데, 이는 마치 종을 치는 망치처럼 작용하여 전자들을 안정적인 위치에서 튕겨내어 더 높은 에너지 상태로 보냈습니다. 이는 물질 내부에 들뜬 입자들의 일시적인 인구 집단을 생성했습니다. 그 다음 어떤 일이 일어나는지 확인하기 위해, 연구진은 아주 짧은 시간 차를 두고 두 번째의 더 약한 빛 펄스를 결정에 발사하여 반사된 빛의 양을 측정했습니다. 이 과정을 서로 다른 시간 지연과 다양한 온도에서 반복함으로써, 그들은 물질의 회복 과정을 담은 영화를 구축했습니다.

낮은 온도에서 결정은 물리학자들에게 익숙한 방식으로 행동했습니다. 들뜬 전자들은 두 개의 뚜식별하고 독립적인 경로를 통해 기저 상태로 돌아갔으며, 이로 인해 반사된 빛의 신호는 매끄러운 이중 지수 곡선을 그리며 사라졌습니다. 이는 에너지가 직선적인 방식으로 소산되는 시스템에서 나타나는 전형적인 행동입니다. 그러나 연구진이 온도를 높이자 기묘한 변형이 일어났습니다. 84 켈빈이라는 특정 임계점에 도달하자, 두 개의 분리된 붕괴 경로가 갑자기 하나로 합쳐졌습니다. 신호는 매끄럽게 사라지는 대신, 하나의 복잡한 감쇠율로만 설명될 수 있는 복잡한 패턴으로 오르내리며 진동하기 시작했습니다. 두 가지 서로 다른 행동 모드가 하나로 붕괴되는 이 임계점은 '예외점(exceptional point)'이라 불리며, 비-에르미트 상전이의 시작을 알리는 신호입니다.

연구진은 이러한 기묘한 행동에 대한 다른 가능한 설명들을 배제하기 위해 주의를 기울였습니다. 그들은 관찰된 음의 신호가 빛을 내는 입자의 수를 감소시키는 전자와 정공의 재결합과 같은 일반적인 효과나, 결정 격자의 진동에 의해 발생할 수 있는지 검토했습니다. 그들은 이러한 표준적인 메커니즘들이 온도나 레이저 펄스의 강도에 따른 신호의 변화를 설명할 수 없다는 것을 발견했습니다. 데이터에 완벽하게 부합하는 유일한 모델은 들뜬 전자와 유로퓸 원자의 자기 모멘트 사이의 독특한 상호작용을 고려한 모델뿐이었습니다. 이 모델에서 들뜬 전자들은 스핀을 뒤집어 빛을 낼 수 없는 '암흑(dark)' 상태로 변했다가 다시 되돌아올 수 있습니다. 이 두 상태 사이의 균형은 온도에 의해 기울어지며, 임계점에서 시스템은 두 상태를 구분하는 능력을 상실하여 관찰된 복잡한 역학을 초래하게 됩니다.

이 발견은 이러한 이국적인 상전이가 진공 속의 원자나 공동(cavity) 안의 광자와 같이 작고 고립된 시스템에 국한된 이론적인 호기심이 아님을 증명한다는 점에서 중요합니다. 이러한 전이는 손으로 잡을 수 있는 물질인 벌크 고체 내에서도 일어날 수 있습니다. 이 연구는 물질을 평형에서 멀리 밀어냄으로써, 과학자들이 시스템의 역학이 다른 규칙에 의해 지배되는 새로운 물리 영역에 접근할 수 있음을 보여줍니다. 이 전이는 물질의 일반적인 자기 정렬 지점과는 구별되는 온도에서 발생하며, 이는 두 현상이 서로 연관되어 있으면서도 근본적으로는 다르다는 것을 시사합니다. 연구진은 이 전이가 발생하는 지점이 고정되어 있지 않으며, 레이저 펄스의 강도를 변화시킴으로써 조절할 수 있다는 점을 발견했습니다. 이는 빛으로 물질의 특성을 튜닝할 수 있는 방법을 제공합니다.

이 작업의 함의는 실험에 사용된 특정 결정 그 이상을 향합니다. 연구팀이 개발한 이론적 틀은 서로 결합된 구성 요소들, 예를 들어 서로 다른 유형의 흥분이나 스핀을 가진 매우 다양한 다른 물질에서도 유사한 전이가 존재할 수 있음을 시사합니다. 만약 이러한 전이를 제어할 수 있다면, 이는 빛과 자성을 제어하는 새로운 기술로 이어질 수 있는, 물질의 동적 특성을 조작하는 매우 민감한 방법을 제공할 수 있습니다. 현재로서는, 이 발견은 조용하고 균형 잡힌 세계를 지배하는 물리 법칙은 이야기의 일부일 뿐이라는 사실을 명확히 보여주는 증거로 남아 있습니다. 혼돈스럽고 구동되는 세계에서 물질은 새로운 형태를 띨 수 있으며, 그 자체만큼이나 풍부하고 복잡한 행동을 드러냅니다.