Spatial delocalization of cold oscillators in hollow-core fibers

양자 물리학의 정적(靜寂)한 세계에서, 과학자들은 종종 사물을 가능한 한 움직임이 없게 만들려고 노력한다. 아주 작은 물체들을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각함으로써, 그들은 열로 인한 무작위적인 흔들림을 얼려버려, 물체가 입자보다는 파동처럼 행동하게 할 수 있다. 이러한 극한의 정지 상태는 단 하나의 원자가 가하는 접촉만큼이나 미세한 힘까지도 감지할 수 있는, 인류가 고안한 가장 민감한 측정법들의 출발점이 된다. 그러나 이러한 미세한 힘들을 더욱 잘 측정하기 위해, 연구자들은 때때로 그 반대의 작업을 수행해야 한다. 즉, 의도적으로 물체의 위치를 불확실하게 만들어야 하는 것이다. 물체의 위치를 더 넓은 영역으로 퍼뜨림으로써, 외부의 밀어내는 힘에 대한 반응을 증폭시켜, 결과적으로 그들이 듣고자 하는 신호의 볼륨을 높이는 것과 같은 효과를 낼 수 있다. '비국소화(delocalization)'라고 알려진 이 직관에 반하는 전략은 측정의 한계를 밀어붙이는 강력한 도구이지만, 물체를 완전히 잃어버리지 않으면서 이를 제어하는 것은 매우 까다로운 일이다.

막스 플랑크 빛 과학 연구소와 다름슈타트 공과대학교의 연구팀은 이제 중공 광섬유(hollow fiber) 내부의 부유하는 유리 구슬을 사용하여 이 섬세한 균형을 조절하는 방법을 시연했다. 최근 발표된 연구에 따르면, 이들의 작업은 거의 움직임이 없는 상태로 냉각된 나노입자를 활용하여, 입자를 놓치거나 안정성을 잃지 않으면서도 위치 불확실성을 20배 이상 확장하는 방법을 보여준다. 실험은 중공 결정 광섬유 내부에 공중 부양된 234나노미터 크기의 아주 작은 실리카 구체를 중심으로 진행된다. 이 광섬유는 레이저 빛을 안내하는 미세한 터널 역할을 하며, 길이를 따라 밝고 어두운 줄무늬, 즉 간섭 무늬(fringes)를 생성한다. 입자는 이 밝은 줄무늬 안에 갇혀 빛의 부드러운 밀어내는 힘에 의해 고정된다.

연구진은 두 가지 방향, 즉 섬유의 길이 방향과 가로 방향 모두에서 입자의 움직임을 냉각하는 것으로 시작했다. 그들은 입자의 움직임을 감지하고 레이저 빛을 조절하여 브레이크 역할을 하도록 하는 피드백 루프를 사용하여, 입자의 온도가 절대 영도보다 불과 몇 도 높은 수준까지 떨어질 때까지 입자의 속도를 늦춤으로써 이를 달성했다. 입자가 이토록 차갑게 식었을 때, 팀은 입자의 위치를 확장하는 데 착수했다. 그들은 레이저의 전체 출력은 변경하지 않으면서 빛의 패턴을 조작하는 두 가지 서로 다른 방법을 시도했다.

첫 번째 접근 방식에서, 연구진은 레이저 빔의 편광을 빠르게 회전시켰는데, 이는 섬유를 따라가는 트랩의 결합력을 잠시 동안 약화시키는 효과를 냈다. 이러한 갑작스러운 변화는 마치 갑자기 팽창하도록 허용된 스프링처럼, 입자의 위치를 퍼지게 만들었다. 입자의 위치 분산은 초기 차가운 상태에 비해 11.83 데시벨 증가했다. 결정적으로, 입자는 예측 가능한 종 모양 분포(bell-curve distribution)를 유지했는데, 이는 입자의 운동이 여전히 가우시안(Gaussian) 분포를 따르며 표준 통계로 설명될 수 있음을 의미한다. 이 상태는 짧은 시간 동안만 지속된 후 입자가 다시 안정되었지만, 이 측정은 확장이 실제적이며 제어 가능하다는 것을 확인해 주었다.

두 번째 방법은 훨씬 더 효과적이었다. 트랩을 약화시키는 대신, 연구진은 빠른 위상 제어를 사용하여 입자를 밝은 줄무늬에서 어두운 줄무늬로 이동시켰다. 어두운 간섭 무늬에서는 빛의 세기가 거의 제로에 가깝고, 광학적 힘이 역전된 퍼텐셜(inverted potential)을 형성하여 입자가 중심부로 끌려가는 것이 아니라 중심으로부터 밀려나게 만든다. 이 역전된 지형은 입자가 시작 지점에서부터 지수 함수적으로 가속되게 만든다. 연구진은 입자를 이 어두운 구역에 아주 짧은 마이크로초 동안 머물게 한 뒤, 입자가 탈출하기 전에 빠르게 밝은 구역으로 다시 이동시켰다. 입자를 어두운 곳으로 옮겼다가 밝은 곳으로 되돌리는 이 과정을 반복함으로써, 그들은 위치 확장 효과를 축적했다. 이 기술은 위치 분산을 13.23 데시벨 증가시켰으며, 이는 첫 번째 방법보다 유의미한 개선이었다.

연구진은 만약 이 과정을 더 밀어붙인다면, 입자가 광학 트랩의 가장자리, 즉 힘이 더 이상 완벽하게 선형적이지 않은 영역을 탐색하기 시작한다는 것을 발견했다. 이는 세 번째 결과, 즉 비가우시안(non-Gaussian) 상태의 생성으로 이어졌다. 이 영역에서 입자의 위치 분포는 곡선 형태의 꼬리(fanning tails)를 발달시켰으며, 이는 단순한 조화 진동자의 법칙이 더 이상 적용되지 않음을 나타냈다. 연구진은 복잡한 비선형 힘을 다루는 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교함으로써 이러한 거동을 확인하였고, 두 데이터 사이의 정밀한 일치를 찾아냈다.

이 연구는 복잡한 보조 트랩이나, 외부 전기장에 민감할 수 있는 전하를 띤 입자를 필요로 하지 않고도 부유 입자를 제어할 수 있는 새로운 수준을 보여주었다는 점에서 중요하다. 중공 섬유 내부에서 꽉 잡힌 상태와 넓게 퍼진 상태 사이를 빠르게 전환하는 능력은 더 민감한 힘 검출기로 가는 문을 열어준다. 예를 들어, 13데시벨의 위치 분산 증가는 미세한 힘을 감지하는 능력이 거의 5배 향상되었음을 의미한다. 더욱이, 어두운 간격 기술은 입자의 운동량을 방해하지 않으면서 위치를 측정할 수 있는 독특한 방법을 제공하며, 이는 대규모 양자 중첩을 만드는 것을 목표로 하는 미래 실험에 필수적일 수 있다. 이 연구는 중공 코어 광섬유가 이러한 고급 광역학(optomechanical) 실험을 위한 다재다능한 플랫폼임을 입증하며, 양자 상태를 확장하는 섬세한 예술이 높은 정밀도와 신뢰성을 가지고 수행될 수 있음을 증명한다.