Stochastic transport of a Goldstone mode in a self-organized atomic crystal

현대 물리학의 광활한 풍경 속에서, 질서가 혼돈으로부터 어떻게 발생하는지는 반복되는 주제입니다. 시스템이 안정된 상태로 자리 잡을 때, 그것은 종종 이전에 여러 곳에 동시에 존재할 수 있었던 근본적인 대칭성을 깨뜨리며 특정한 구성을 선택합니다. 연필이 그 끝으로 완벽하게 균형을 잡고 서 있는 모습을 상상해 보십시오. 그것은 모든 방향에 대해 대칭적입니다. 연필이 쓰러지는 순간, 그것은 반드시 한 방향을 선택해야 하며, 이는 대칭성을 깨뜨립니다. 양자 세계에서 이러한 '자발적 대선택(spontaneous symmetry breaking)' 과정은 골드스톤 모드(Goldstone mode)라고 불리는 특별한 질량 없는 파동을 만들어냅니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 파동이 방출하는 에너지를 듣거나 진동하는 방식을 관찰함으로써 이를 감지할 수 있었습니다. 이는 마치 음높이를 통해 음을 식별하는 것과 같습니다. 그러나 결정적인 질문 하나가 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 이 파동이 홀로 떠돌게 되면 어떻게 될까요? 그것은 시냇물 속의 잎사막처럼 무작위로 표류할까요, 아니면 조율된 방식으로 움직일까요? 지금까지는 우주의 자연스러운 소음 속에서 이 미묘한 양자 파동의 실제 움직임을 실시간으로 추적하는 것이 불가능했습니다.

연구팀은 이제 고리 모양의 광학 공동(optical cavity) 내부에 소형화된 독립형 우주를 구축함으로써 이 수수께끼를 풀었습니다. 그들은 이 고리 안에 루비듐 원자 구름을 채우고 레이저를 통과시켰습니다. 적절한 조건 하에서, 원자들은 무질서한 가스로 남아 있지 않았습니다. 대신, 원자들은 스스로 생성한 빛의 격자 구조 안에 스스로를 가두며 강체 결정 구조로 자발적으로 배열되었습니다. 이 자가 생성된 결정은 독특한 특성을 지닙니다. 고리가 완벽하게 둥글기 때문에, 결정은 원을 따라 어느 지점에나 동일한 용이성으로 위치할 수 있습니다. 즉, 선호하는 시작 위치가 없습니다. 연구진은 이 결정의 위치가 공동 내부 빛의 위상(phase)과 직접 연결되어 있다는 사실을 깨달았습니다. 그들은 극도로 정밀하게 고리에서 새어 나오는 빛을 측정함으로써 결정의 위치 변화를 실시간으로 관찰할 수 있었고, 결과적으로 골드스톤 모드 자체의 움직임을 추적할 수 있었습니다.

그들이 관찰한 것은 일반적인 확산의 법칙을 거스르는 형태의 운동이었습니다. 물속에 떨어진 잉크 방울과 같은 전형적인 시나리오에서는 개별 입자들이 독립적으로 움직이며 서로 부딪히고 무작위 방향으로 흩어집니다. 하지만 연구진은 이 원자 결정에서 원자들이 전혀 독립적으로 움직이지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 하나의 단일한 강체로서 움직였습니다. 이 운동의 추진력은 원자들과 산란되는 광자에 의해 발생하는 근본적이고 피할 수 없는 미세한 떨림에서 왔습니다. 원자가 광자를 산란할 때마다 원자는 작은 충격을 받습니다. 일반적인 가스라면 이러한 충격가 개별 원자들을 사방으로 날려 보냈겠지만, 여기서는 원자들이 스스로 생성한 빛 격자에 의해 매우 단단하게 결합되어 있어, 한 원자에 가해진 충격이 전체 집단으로 공유되었습니다. 전체 결정은 이러한 무작위 충격에 의해 구동되지만, 빛의 응답 지연에 의해 생성된 마찰력 같은 힘에 의해 속도가 조절되며 고리를 따라 미끄러지듯 이동했습니다.

연구팀은 시간이 지남에 따라 이 결정이 어떻게 표류하는지 측정하였고, 놀라운 패턴을 발견했습니다. 결정에 더 많은 원자를 추가할수록 표류 속도는 현저히 느려졌습니다. 구체적으로, 확산율은 원자의 수에 반비례하여 감소했습니다. 만약 원자의 수를 두 배로 늘리면 결정은 절반의 속도로 움직였습니다. 이는 전체 집단이 독립적인 입자들의 모임이 아니라, 하나의 거대하고 통일된 신체로서 행동했음을 확인시켜 주었습니다. 연구진은 레이저 빛의 특성을 조절함으로써 마찰력을 미세하게 조정했습니다. 원자 수에 따른 속도 변화와 마찰 세기의 관계를 결합하여 측정했을 때, 모든 데이터 포인트는 하나의 보편적인 곡선으로 수렴되었습니다. 이는 이 현상이 특정 설정의 세부 사항에 관계없이 단순하고 근본적인 법칙에 의해 지배된다는 것을 보여주었습니다.

이 연구는 대칭성 깨짐의 에너지 신호를 단순히 관찰하는 단계에서 벗어나, 그로 인해 발생하는 운동을 직접 관찰하는 단계로의 전환을 의미합니다. 연구진은 골드스톤 모드가 이전에 스펙트럼상의 특징으로만 이해되었던 것에서 나아가, 제어 가능한 기계적 객체로 취급될 수 있음을 입증했습니다. 그들은 에너지가 계속 주입되고 손실되는 구동-소산 시스템(driven, dissipative system)에서 수천 개 원자의 집단적 운동을 높은 정밀도로 추적할 수 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 원자들이 수동적인 환경에서 독립적으로 움직인다는 생각을 부정하며, 대신 그들이 스스로 만든 빛에 의해 서로 묶여 있음을 보여주었습니다. 또한 연구진은 시스템이 너무 뜨거워지거나 관찰 시간이 너무 길어지면 결정이 결국 녹아버리고 질서 있는 운동이 붕괴된다는 점을 언급하며 이 현상의 한계를 다루었습니다. 그러나 관찰된 안정적인 범위 내에서, 원자들은 양자적 현상을 만질 수 있고 측정 가능한 현실로 변모시키는 집단적 강직성을 가지고 움직였습니다.

양자장의 추상적인 위상을 결정의 물리적 위치로 매핑함으로써, 연구진은 양자 물질이 비평형 상태에서 어떻게 행동하는지 연구할 수 있는 새로운 도구를 만들었습니다. 이 플랫폼을 통해 과학자들은 결함이 어떻게 형성되는지, 포논(phonon, 진동)이 어떻게 전달되는지, 그리고 끊임없이 밀리고 당겨지는 시스템에서 질서가 어떻게 유지되는지를 조사할 수 있습니다. 골드스톤 모드가 가능한 모든 범위로 헤매는 것을 관찰하는 능력은 대칭성 깨짐의 역학을 들여다볼 수 있는 직접적인 창을 제공합니다. 이는 한때 보이지 않았던 양자 현상을 가시적이고 추적 가능한 여정으로 바꾸어 놓으며, 양자 요동의 혼돈스러운 춤 속에서도 물질이 어떻게 하나로 움직일 수 있는지를 밝혀냅니다.