Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

원자가 단단한 구슬이라기보다 겹쳐지는 파동처럼 행동하는 양자 물리학의 고요한 세계에서, 과학자들은 오랫동안 단순한 법칙에 의존해 왔습니다. 즉, 충분한 시간이 주어진다면 혼돈스러운 계(system)는 결국 열평형이라고 불리는 차분하고 예측 가능한 상태로 안착한다는 것입니다. 이 상태는 에너지이 모든 부분에 균등하게 공유되는 상태로, 예를 들어 커피가 방 안의 온도와 일치할 때까지 식어가는 것과 같습니다. 그러나 자연은 때때로 우회로를 택합니다. 최종적인 평온에 도달하기 전, 많은 계는 '프리서멀(prethermal, 전열역학적)' 상태라고 알려진 길고 지속적인 준안정 상태에 갇히게 됩니다. 이 단계에서 계는 안정된 것처럼 보이지만, 초기 혼돈의 기억을 붙잡은 채 에너지를 공평하게 나누기를 거부합니다. 왜, 그리고 어떻게 이러한 계들이 갇히게 되는지를 이해하는 것은 초기 우주의 순간부터 복잡한 물질의 거동에 이르기까지 모든 것에 대한 실마리를 제공하는 근본적인 과제입니다.

조인트 양자 연구소(Joint Quantum Institute)와 국립표준기술연구소(NIST)의 연구팀은 이제 초저온 원자 구름 속에서 이 현상을 실제로 포착하여 관찰해 냈습니다. 그들은 서로를 자연스럽게 밀어내는 두 종류의 서로 다른 원자들이 한 공간을 강제로 공유하도록 하는 시나리오를 만들었습니다. 조건이 갑자기 변했을 때, 이 원자들은 단순히 섞이거나 즉각적으로 분리되지 않았습니다. 대신, 그들은 두 개의 커다란 영역 사이에 날카로운 경계면인 1차원 인터페이스를 형성했습니다. 이 경계는 정지된 벽이 아니었습니다. 그것은 '리플론(ripplon)'이라 불리는 파동과 함께 출렁이며 흔들렸습니다. 과학자들은 이 파동이 시간에 따라 어떻게 진화하는지 관찰함으로써, 이 인터페이스가 일반적인 에너지 공유 법칙을 거스르는 프리서멀 상태에 진입했음을 발견했습니다.

실험은 절대 영도에 가까운 온도로 냉각되어 평평한 정사각형 상자에 갇힌 약 160만 개의 나트륨 원자 구름으로 시작되었습니다. 처음에 모든 원자는 동일한 양자 상태에 있었습니다. 연구진은 마이크로파 펄스를 사용하여 구름을 마치 기름과 물처럼 서로 양립할 수 없는 두 개의 동등한 원자 그룹으로 나누었습니다. 이 두 그룹은 즉시 분리되기 시작하여 무작위적인 방울들을 형성했고, 이 방울들은 합쳐지고 커지면서 상자의 반대편에 두 개의 크고 뚜렷한 영역을 만들어냈습니다. 이 두 영역 사이의 경계가 연구의 초점이었습니다. 원자들이 안착함에 따라, 두 영역 사이의 인터페이스는 요동치며 다양한 크기의 파동을 만들어냈습니다. 연구진은 극도로 정밀하게 이 경계의 높이를 측정하여, 이 파동들이 최대 4초 동안 어떻게 변화하는지 추적했습니다.

그들이 발견한 것은 놀라운 행동의 분리였습니다. 인터페이스의 파동은 매우 짧고 촘촘한 잔물결부터 길고 완만한 굴곡에 이르기까지 다양한 크기로 존재했습니다. 짧고 고주파인 잔물결은 주변 원자 구름으로 에너지를 빠르게 잃고 가스의 본체와 일치하는 온도로 안정되었습니다. 그러나 길고 저주파인 파동은 다르게 행동했습니다. 이 커다란 파동들은 시스템의 나머지 부분보다 훨씬 더 많은 에너지를 보유한 채 뜨거운 상태를 유지하며, 연구진이 오랜 시간 기다린 후에도 여전히 열기를 머금고 있었습니다. 즉, 작은 파동들은 차분해졌지만 큰 파동들은 여전히 격앙된 상태를 유지하여, 오래 지속되는 프리서멀 구성을 만들어낸 것입니다.

이를 이해하기 위해 과학자들은 이 파동들과 주변 원자들 사이에서 에너지가 어떻게 이동하는지를 살펴봐야 했습니다. 일반적인 계에서는 모든 것이 같은 온도가 될 때까지 에너지가 자유롭게 흐릅니다. 하지만 여기서는 운동의 법칙이 큰 파동들에 대한 에너지 흐름을 막았습니다. 연구진은 큰 파동들이 '운동학적으로 고립(kinematically isolated)'되어 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 그들의 움직임을 지배하는 물리 법칙이 일반적인 충돌과 같은 과정을 통해 주변 원자들로 에너지를 쉽게 전달하는 것을 불가능하게 만들었다는 의미입니다. 큰 파동이 열을 내놓기 위해 필요한 에너지가 주변 원자들이 가질 수 있는 에너지와 일치하지 않았고, 이 불일치가 에너지 전달을 차단했습니다. 이는 마치 부드러운 미풍으로 무거운 바위를 밀려고 하는 것과 같습니다. 미풍은 아무리 오래 불더라도 결코 돌을 움직일 수 없습니다.

연구팀은 파동의 온도를 직접 측정함으로써 이 고립을 확인했습니다. 그들은 큰 파동의 온도가 주변 가스의 온도보다 훨씬 높으며, 작은 파동은 가스의 온도와 일치하도록 식었다는 것을 발견했습니다. 또한, 파동이 레이저 빔과 같은 특수한 결맞음(coherent) 상태를 형성하는 등의 다른 가능성들도 배제했는데, 이는 파동이 표준적인 통계적 패턴을 따르되 단지 온도가 잘못되었음을 보여줌으로써 입증되었습니다. 데이터에 따르면 큰 파동은 약 5초라는 매우 느린 시간 동안 감쇠되었는데, 이는 작은 파동들이 안착하는 데 걸린 시간보다 훨씬 긴 시간이었습니다.

이 발견은 시스템이 완벽하게 질서 정연해서가 아니라, 시스템 자체의 기하학적 구조에 의해 에너지 이동 방식이 차단되었기 때문에 계가 프리서멀 상태에 갇힐 수 있다는 명확한 실험적 사례를 제공합니다. 연구진은 두 원자 영역 사이의 인터페이스가 상당 기간 동안 나머지 세상으로부터 효과적으로 차단된 하위 시스템(subsystem)으로서 기능했음을 관찰했습니다. 작은 파동들은 평형을 향한 경로를 찾았지만, 큰 파동들은 높은 에너지 상태에 갇혀, 자신들을 냉각시켜 줄 드문 복합적인 상호작용이 일어나기만을 기다리고 있었습니다.

이 연구는 양자 역학의 근본적인 측면을 강조합니다. 즉, 계가 완전히 고립되어 있지 않더라도 에너지 교환 경로가 차단되면 특정 부분은 오랫동안 평형에서 벗어나 있을 수 있다는 점입니다. 연구진은 이 느린 이완(relaxation)의 메커니즘은 확인했지만, 이 프리서멀 상태를 처음에 생성한 정확한 과정과 그것이 최종적으로 어떻게 붕괴되는지에 대한 전체적인 세부 사항은 여전히 미해결 과제로 남아 있다고 언급했습니다. 그들은 그 답이 개별 파동이 위상 결맞음(phase coherence)을 잃는 방식이나 프리서멀 그룹 내에서 서로 섞이는 방식에 있을 수 있다고 제안했습니다. 이 실험은 통제 가능한 깨끗한 플랫폼을 제공함으로써, 복잡한 양자 계가 어떻게 평형에 접근하는지를 이해하는 새로운 창을 열어주었으며, 이는 가장 작은 규모의 물질의 거동에서 핵심적인 과정입니다.