Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

대칭성은 물리 세계의 숨겨진 문법이며, 물질이 어떻게 행동하고 에너지가 어떻게 이동하는지를 규정하는 일련의 규칙이다. 입자가 고체 객체라기보다 파동처럼 행동하는 양자 물리학의 영역에서 이러한 규칙은 특히 엄격하다. 과학자들은 종종 새로운 물질 상태를 생성하거나 특이한 방식으로 작동하는 장치를 만들기 위해 이러한 대칭성을 깨뜨리는 방법을 찾는다. 가장 매혹적인 연구 분야 중 하나는 영항 저항 없이 전기를 전도하는 물질인 초전도체와 관련이 있다. 두 개의 초전도체가 얇은 장벽에 의해 분리되어 있을 때, 이들은 여전히 서로 "대화"할 수 있으며, 배터리 없이도 간극 사이로 전류가 흐를 수 있게 한다. 초전류라고 알려진 이 흐름은 자기장에 매우 민다민하게 반응한다. 자기장을 가함으로써 연구자들은 이 전류가 스스로 간섭하게 만들어, 두 개의 돌이 연못에 떨어졌을 때 형성되는 물결과 유사한 피크와 골의 패턴을 만들어낼 수 있다. 이러한 패턴을 제어하는 방법을 이해하는 것은 과학자들이 특정하고 유용한 특성을 가진 양자 소자를 설계할 수 있게 해준다.

연구팀은 이제 자기장을 회전시키는 것만으로 이러한 간섭 패턴을 켜고 끌 수 있으며, 그 모양을 바꿀 수 있는 방법을 입증했다. 플래티넘 텔루라이드(platinum telluride)라는 물질의 얇은 조각을 두 개의 초전도 전극 사이에 샌드위치처럼 끼워 만든 장치를 사용하여, 연구진은 자기장의 방향이 전류에 대해 갖는 상대적인 방향이 마스터 스위치 역할을 한다는 것을 발견했다. 자기장이 특정 방향으로 가해지면 간섭 패턴은 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 큰 비대칭적인 형태가 된다. 그러나 자기장을 90도 회전시키면, 자기장이 여전히 강함에도 불구하고 패턴은 다시 완벽하고 대칭적인 모양으로 돌아온다. 이렇게 깨진 대칭과 복구된 대칭 사이를 전환하는 능력은 양자 수송을 제어하는 새로운 방법을 제공하며, 자기장의 기하학적 구조를 장치의 동작을 재구성하는 도구로 변모시킨다.

실험은 미세한 양자 효과가 가시적으로 유지되도록 절대 영도 직상부인 약 50밀리켈빈의 온도로 냉각된 실험실에서 진행되었다. 연구진은 20에서 40나노미터 두께의 플래티넘 텔루라이드 조각을 사용하여 장치를 제작했다. 이 조각의 양쪽에 니오븀-티타늄으로 만든 초전도 전극을 부착하여 초전류가 흐를 수 있는 접합부를 만들었다. 시스템을 조사하기 위해, 연구진은 수직으로 장치를 통과하는 성분과 재료 평면 내에 평평하게 놓인 성분의 두 가지 성분을 가진 자기장을 가했다. 이 평면 내 자기장의 각도를 전류 방향에 대해 변화시킴으로써, 그들은 간섭 패턴이 어떻게 진화하는지 관찰할 수 있었다.

평면 자기장이 없을 때, 장치는 예상대로 작동하여 프라운호퍼(Fraunhofer) 패턴이라고 불리는 전형적인 대칭 패턴을 생성했다. 이 패턴은 중앙에 큰 피크가 있고 양옆으로 작고 균일하게 간격이 떨어진 피크들이 나타나는데, 이는 초전류가 접합부를 따라 균일하게 흐르고 있음을 나타낸다. 하지만 평행한 평면 자기장을 도입하는 순간 대칭성이 사라졌다. 패턴은 심하게 왜곡되어, 중앙 극대값의 한쪽 피크는 줄어들고 반대쪽 피크는 커지는 현상이 나타났다. 이 비대칭성은 매우 뚜렷하여 마치 거울 이미지가 뒤집힌 것처럼 보였다. 연구진은 이 효과가 무작위적인 것이 아니라, 전류와 자기장 사이의 각도에 전적으로 의존한다는 것을 발견했다. 자기장이 전류와 평행할 때 왜곡이 가장 심했다. 자기장을 전류에 수직이 되도록 회전시키자 패턴은 즉시 원래의 대칭 상태로 돌아왔다.

이 현상이 왜 발생하는지 이해하기 위해 연구팀은 장치 내부에서 일어나고 있는 일에 대한 미시적 모델을 개발했다. 그들은 초전도 전극이 단순히 수동적인 벽이 아니라, 통과하는 자기장 선들을 능동적으로 재형성한다는 것을 깨달았다. 자기장을 밀어내는 성질인 마이스너 효과(Meissner effect) 때문에, 평면 자기장 선들은 전극의 가장자리에 접근하면서 휘어져야만 했다. 이 굴절은 초전도체와 일반 물질 사이의 계면에 자기장이 한 곳에서는 위를 향하고 다른 곳에서는 아래를 향하게 하여, 실질적으로 자기 쌍극자를 형성하게 했다.

이 작은 자기 쌍극자들은 접합을 통해 흐르는 전자들의 경로를 밀고 당기는 보이지 않는 손처럼 작용했다. 결함이 없는 완벽한 물질이라면 이러한 밀고 당김이 서로 상쇄될 것이다. 그러나 실제 물질에는 항상 무질서, 즉 전자를 산란시키는 원자 구조의 미세한 결함이 존재한다. 이 무질서로 인해 전자들은 접합을 통해 서로 다르고 구불구불한 경로를 택하게 된다. 어떤 경로들은 자기 쌍극자의 "위" 부분을 경험하고, 다른 경로들은 "아래" 부분을 경험한다. 연구진이 주 자기장의 방향을 반전시켰을 때, 이 서로 다른 경로의 전자들은 서로 다른 순 효과(net push)를 경험하게 되었고, 이로 인해 간섭 패턴이 이동하고 비대칭이 되었다. 이 효과의 강도는 평면 자기장의 방향에 따라 달라졌다. 자기장이 전류와 평행할 때 자기장 선의 굴절이 극대화되어 강한 쌍극자를 형성했고, 이는 간섭 패턴을 흐트러뜨렸다. 자기장이 수직일 때는 굴절이 최소화되어 쌍극자가 사라졌고 대칭성이 회복되었다.

연구진은 다른 가능한 설명들을 배제하기 위해 주의를 기울였다. 그들은 물질 자체가 특정 방향을 선호하는 고유한 특성을 가지고 있는지 고려했으나, 실험 결과 이 효과는 샘플의 결정 구조가 아닌 장치와 함께 회전한다는 것을 보여주었다. 또한 다양한 길이와 방향을 가진 장치로 테스트를 진행했을 때도 동일한 동작이 유지되었으며, 이는 이 현상이 샘플의 특정 결함이 아닌 자기장과 전류의 기하학적 구조에 의해 구동됨을 확인시켜 주었다. 나아가, 그들은 무질서와 자기장 집중 효과를 포함한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 시스템을 모델링했다. 이 시뮬레이션은 실험 결과를 완벽하게 재현했으며, 굴절된 자기장 선들과 전자의 무질서한 경로 사이의 상호작용이 바로 그 원인임을 보여주었다.

이 발견은 새로운 유형의 제어 가능한 양자 소제를 확립한다. 단순히 자기장을 회전시키는 것만으로 과학자들은 초전도 접합을 대칭이 깨진 상태와 대칭이 복구된 상태 사이에서 전환할 수 있게 되었다. 이것은 단지 이론적인 호기심에 그치는 것이 아니라, 양자 수송의 대칭성을 설계하기 위한 실질적인 방법을 제공한다. 자기장의 기하학적 구조를 변경함으로써 어떤 대칭 연산이 탐구되는지를 선택할 수 있는 능력은 새로운 종류의 센서와 스위치의 길을 열어준다. 예를 들어, 이 장치는 높은 정밀도로 자기장의 방향을 감지하거나 초전류가 물질을 통과하는 경로를 영상화하는 데 사용될 수 있다. 이 연구는 무질서가 적절한 자기 환경과 결합될 때 어떻게 방해 요소가 아닌 하나의 특징으로 활용될 수 있는지를 강조한다.

연구 결과는 이러한 장치의 거동이 자기장의 자속 집중 능력과 물질 내부의 무작위적 특성 사이의 섬세한 균형에 의해 지배된다는 것을 시사한다. 연구진은 이 효과가 약 70밀리테슬라의 자기장 강도까지 지속된다는 점에 주목했는데, 이는 이토록 섬세한 양자 현상에 있어 상당한 범위이다. 수직 각도에서의 대칭성 복구는 특히 견고하며, 자기장 강도가 증가하더라도 유효하게 유지된다. 이는 이 메커니즘이 안정적이고 신뢰할 수 있음을 시사하며, 미래의 양자 기술을 위한 유망한 후보임을 보여준다.

물리학의 더 넓은 맥락에서, 이 연구는 외부 장을 사용하여 양자 상태를 조작하는 방법에 대한 이해를 넓히는 데 기여한다. 이는 대칭성이 물질의 고정된 속성이 아니라 실시간으로 조정할 수 있는 동적인 자유도임을 입증한다. 연구진은 전류와 자기장의 상대적 방향을 제어함으로써 초전도 전자의 간섭 규칙을 효과적으로 쓰고 지울 수 있음을 보여주었다. 이러한 수준의 제어는 장치의 동작을 즉각적으로 재구성할 수 있는 능력이 필수적인 더욱 정교한 양자 회로를 구축하려는 노력에 있어 중요한 진전이다. 이 연구는 초전도체와 무질서한 물질 사이의 자기장 상호작용이라는 근본적인 물리학에 기반하여, 이를 달성하기 위한 명확하고 실험적으로 검증된 경로를 제시한다.