Chiral thermal fluctuations and enhanced refrigeration in a nonreciprocal nanomechanical system

열의 세계를 뜨거운 것에서 차가운 것으로 그저 느릿하게 흘러가는 나른한 안개가 아니라, 작고도 부산스러운 춤꾼들의 북적이는 군중으로 상상해 보십시오. 나노 기술의 미시 세계에서 이 춤꾼들은 원자와 진동이며, 이들은 끊임없이 서로 부딪힙니다. 보통은 뜨거운 춤꾼을 차가운 춤꾼 옆에 두면, 열은 마치 가득 찬 컵에서 빈 컵으로 물이 쏟아지듯 곧장 흘러갑니다. 이것이 '상호성(reciprocity)'의 법칙입니다. 즉, A 지점에서 B 지점으로 갈 수 있다면, B에서 A로도 똑같이 쉽게 갈 수 있다는 것입니다. 하지만 만약 당신이 이 춤꾼들을 속일 수 있다면 어떨까요? 만약 당신이 어느 방향을 보고 있느냐에 따라 게임의 규칙이 바뀌는 놀이터를 만들 수 있다면 어떨까요? 이것이 바로 시간 역전 대칭성이 깨지는 '비상호성(nonreciprocity)'의 영역입니다. 이것을 빠르게 내려갈 수는 있지만 다시 올라갈 때는 천천히 걸어 올라가야만 하는 마법의 미끄럼틀, 혹은 에너지의 일방통행로라고 생각해보십시오. 과학자들이 이 현상에 집착하는 이유는, 만약 우리가 이 미세한 규모에서 열의 이동을 제어할 수 있다면, 컴퓨터 칩을 식혀주는 아주 작은 냉장고나 과열 없이 작동하는 센서처럼 믿기지 않을 정도로 효율적인 미세 기계를 만들 수 있기 때문입니다. 거대한 질문은 이것입니다. 우리는 이 '일방향' 규칙을 사용하여 우리가 상상했던 것보다 더 나은 냉각 성능을 만들어낼 수 있을까요?

연구팀이 새로운 연구에서 테스트하고자 했던 것이 바로 이것입니다. 그들은 '나노빔(nanobeam)'이라 불리는 특수한 유리 조각으로 만든 작고 투명한 놀이터를 만들었습니다. 이 나노빔은 여러 가지 방식으로 동시에 진동할 수 있는 기타 줄과 같은 역할을 합니다. 그들은 레이저를 사용하여 이 진동들이 서로 대화하게 함으로써, 세 개의 작은 '공진기(resonator)'(연결된 세 개의 그네라고 생각하십시오)로 이루어진 네트워크를 만들었습니다. 레이저 빛을 정교하게 조절함으로써, 그들은 '합성 자기 선속(synthetic magnetic flux)'을 만들어냈습니다. 물리 용어 때문에 걱정하지 마십시오. 그저 이 선속을 세 개의 그네가 있는 루프 주위를 도는 마법의 보이지 않는 바람이라고 상상하십시오. 이 바람은 그네를 물리적으로 밀지는 않지만, 그네들이 함께 움직이는 규칙을 바꾸어 시스템을 '카이랄(chiral)'하게 만듭니다. 간단히 말해, 카이랄리티는 '손잡이 방향(handedness)'을 의미합니다. 당신의 왼손이 오른손의 거울 이미지이지만 두 손을 완벽하게 겹칠 수 없는 것과 마찬가지로, 이 시스템의 열 흐름은 한쪽 방향을 선호하기 시작하여, 일반적인 공평한 시스템에서는 존재할 수 없는 에너지의 소용돌이 전류를 만들어냈습니다.

연구진은 합성 자기 선속을 켰을 때 열에 놀라운 일이 일어난다는 것을 발견했습니다. 일반적인 시스템에서는 뜨거운 그네 하나와 차가운 그네 두 개가 있다면 열이 흘러나오지만, 차가운 그네들이 에너지를 충분히 빨리 배출하지 못해 교통 체증이 발생합니다. 그러나 자기 선속이 있으면 열이 특정 방향을 따라 루프를 돌며 움직이기 시작하는데, 이는 마치 잘 조직된 댄스 라인과 같습니다. 연구팀은 그네들의 진동이 시간이 지남에 따라 서로 어떻게 상관관계를 갖는지 관찰함으로써 이를 측정했습니다. 그들은 열이 단순히 흐르는 것이 아니라, 특정 '대역(bands)'의 주파수를 따라 흐르며, 어떤 주파수는 시계 방향으로, 다른 주파수는 반시계 방향으로 동시에 소용돌이치며 흐르는 것을 확인했습니다. 이것은 마치 왼쪽 차선은 앞으로 달리고 오른쪽 차선은 뒤로 달리는 고속도로가 있지만, 두 차선 모두 효율적으로 교통량을 운반하고 있는 것과 같습니다.

가장 흥ende로운 발견은 이 '카이랄' 흐름이 시스템의 냉각을 어떻게 개선했는가 하는 점이었습니다. 연구진은 가장 많은 에너지를 가진 '뜨거운' 공진기를 최대한 냉각시키려 노력했습니다. 표준적이고 공평한 시스템에서는 그 온도를 낮추는 데 한계가 있습니다. 시스템이 너무 대칭적이라 열이 갇히기 때문입니다. 하지만 그들은 합성 자기 선속을 통해 그 대칭성을 깨뜨림으로써, 뜨거운 공진기를 일반적인 시간 역전 대칭 시스템에 적용되는 한계치보다 더 낮게 냉각시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 마치 열이 뜨거운 그네에서 빠져나와 차가운 그네들로 훨씬 더 빠르고 효율적으로 버려질 수 있도록 돕는 비밀 통로를 찾아낸 것과 같습니다. 그들은 공진기들의 '유효 온도(effective temperature)'를 추적함으로써 이를 측정하였으며, 비상호적 설정이 일반적인 시간 역전 대칭 네트워크보다 더 낮은 상태에 도달할 수 있음을 보여주었습니다.

이 논문은 이것이 가능하다는 것을 암시할 뿐만 아니라, 실험실에서 직접 이를 측정해 냈습니다. 그들은 열 흐름의 '손잡이 방향'을 제어함으로써, 에너지를 원하는 곳으로 정확히 이동시키는 미세한 열 펌프 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 비상호적 규칙을 깨는 것이 단지 이상한 일방향 전류를 만드는 데 그치지 않고, 실제로 열 기관의 성능을 높인다는 것을 증명했습니다. 비록 완전한 크기의 냉장고를 만든 것은 아니지만, 그들은 이 원리를 미세한 규모에서 입증해 보였으며, 이러한 카이랄 흐름이 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 방식으로 열을 조종할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 열 관리 방식에 대한 새로운 사고방식을 열어주며, 만약 우리가 이러한 미시적 전류를 제어하는 법을 배울 수 있다면, 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 효율적인 냉각 및 에너지 변환 기계를 구축할 수 있을 것임을 시사합니다.