과학자들은 물리학 실험에서 시간의 틈새를 만듭니다

과학자들은 물리학 실험에서 시간의 틈새를 만듭니다.

연구자들은 레이저를 사용하여 고전적인 이중 슬릿 실험을 재현했지만 슬릿은 공간이 아닌 시간에 있습니다. 처음으로 과학자들은 시간에 따라 슬릿을 통해 빛을 보낼 수 있음을 보여주었습니다.

 

새로운 실험은 220년 된 시연을 변형한 것으로, 빛이 스크린의 두 슬릿을 통해 빛나서 공간 전체에 걸쳐 독특한 회절 패턴을 생성하고, 여기서 광파의 최고점과 최저점이 합산되거나 상쇄됩니다. 새로운 실험에서 연구자들은 시간이 지남에 따라 유사한 패턴을 만들어 본질적으로 극초단파 레이저 펄스의 색상을 변경했습니다.

 

이 발견은 디지털 비트 대신 빛의 광선에 각인된 데이터를 조작하는 아날로그 컴퓨터의 발전을 위한 길을 열었습니다. 심지어 이러한 컴퓨터가 데이터로부터 학습할 수도 있습니다. 또한 빛의 기본 특성과 물질과의 상호 작용에 대한 이해를 심화시킵니다.

 

Nature Physics 저널에 4월 3일자에 게재된 새로운 연구에서 연구원들은 대부분의 휴대폰 화면에서 발견되는 물질인 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용했습니다. 과학자들은 이미 ITO가 빛에 반응하여 투명에서 반사로 바뀔 수 있다는 것을 알고 있었지만, 연구원들은 이것이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 빠르게, 즉 10펨토초(천만분의 1초) 이내에 발생한다는 것을 발견했습니다.

 

임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 물리학자인 연구 주저자 리카르도 사피엔자(Riccardo Sapienza)는 "이것은 매우 놀라운 일이었고 처음에는 설명할 수 없는 것이었습니다"라고 말했습니다. 결국 연구진은 ITO의 전자가 입사광에 반응하는 방식에 대한 이론을 면밀히 조사하여 반응이 왜 그렇게 빨리 일어나는지 알아냈습니다. 하지만 그것을 이해하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다.

 

공간을 위한 시간 교환

영국의 과학자 토머스 영(Thomas Young)은 1801년에 지금은 고전적인 이중 슬릿 실험을 사용하여 빛의 파동적 특성을 처음으로 입증했습니다. 두 개의 슬릿이 있는 스크린에 빛이 비추면 파동의 방향이 바뀌어 한 슬릿에서 퍼져나가는 파동이 다른 쪽을 통해 들어오는 파도. 이러한 파동의 최고점과 최저점은 합쳐지거나 상쇄되어 간섭 패턴이라고 불리는 밝고 어두운 무늬를 만듭니다.

 

새로운 연구에서 Sapienza와 동료들은 ITO로 코팅된 스크린에 펌프 레이저 펄스를 비추어 시간에 따른 간섭 패턴을 재현했습니다. ITO는 처음에는 투명했지만 레이저의 빛은 재료 내 전자의 특성을 변경하여 ITO가 거울처럼 빛을 반사하도록 했습니다. ITO 스크린에 닿는 후속 프로브 레이저 빔은 광학 특성의 일시적인 변화를 단 몇 백 펨토초 길이의 슬릿으로 볼 수 있습니다. 두 번째 펌프 레이저 펄스를 사용하면 물질이 시간에 따라 두 개의 슬릿이 있는 것처럼 동작하게 되었으며, 이는 빛이 공간 이중 슬릿을 통과하는 것과 유사합니다.

 

기존의 공간 슬릿을 통과하면 빛의 방향이 바뀌고 퍼지는 반면, 빛이 이 두 개의 시간 슬릿을 통과하면 파장에 반비례하는 주파수가 변경됩니다. 색상을 결정하는 것은 가시광선의 파장입니다.

 

새로운 실험에서 간섭 패턴은 다양한 주파수에서 측정된 빛 강도의 그래프인 주파수 스펙트럼의 추가 피크 또는 줄무늬로 나타났습니다. 공간 슬릿 사이의 거리를 변경하면 결과적인 간섭 패턴이 변경되는 것처럼 시간 슬릿 사이의 지연은 주파수 스펙트럼에서 간섭 무늬의 간격을 결정합니다. 그리고 진폭이 배경 잡음 수준으로 감소하기 전에 볼 수 있는 이러한 간섭 패턴의 무늬 수는 ITO 특성이 얼마나 빨리 변하는지를 보여줍니다. 반응이 느린 재료는 감지할 수 있는 간섭 무늬가 더 적습니다.

 

과학자들이 공간이 아닌 시간에 걸쳐 빛을 조작하는 방법을 알아낸 것은 이번이 처음이 아닙니다. 예를 들어, 구글의 과학자들은 양자 컴퓨터 시카모어(Sycamore)가 공간을 가로질러 주기적인 패턴으로 배열되는 원자와는 반대로, 시간에 따라 주기적으로 변화하는 물질의 새로운 단계인 시간 결정(Time Crystal)을 생성했다고 말합니다.

 

이러한 실험에 참여하지는 않았지만, 시간에 따라 빛의 반사를 생성하는 별도의 실험을 수행한 뉴욕 시립 대학교의 물리학자 Andrea Alù는 이를 "시간과 공간이 어떻게 상호 교환될 수 있는지에 대한 또 다른 깔끔한 시연"이라고 설명했습니다.

 

Alù는 "이 실험의 가장 주목할만한 측면은 이 물질(ITO)의 유전율(물질이 빛을 투과하거나 반사하는 정도를 정의)을 매우 빠르고 상당한 양으로 전환할 수 있는 방법을 보여줬다는 것"이라고 말했습니다. 이것은 이 물질이 시간 반사와 시간 결정의 시연을 위한 이상적인 후보가 될 수 있음을 확인시켜 줍니다.

 

연구자들은 이러한 현상을 사용하여 구체적이고 종종 정교한 방식으로 빛의 경로를 변경하도록 설계된 메타물질 또는 구조를 만들기를 희망합니다. 지금까지 이러한 메타물질은 정적이었습니다. 즉, 메타물질이 빛의 경로에 영향을 미치는 방식을 변경하려면 완전히 새로운 메타물질 구조, 즉 각기 다른 계산 유형을 위한 새로운 아날로그 컴퓨터를 사용해야 한다는 의미라고 Sapienza는 말했습니다.

 

Sapienza는 "이제 우리는 재구성할 수 있는 재료를 갖게 되었으며, 이는 이를 하나 이상의 목적으로 사용할 수 있음을 의미합니다"라고 말했습니다. 그는 "그러한 기술이 뇌를 모방하는 뉴로모픽 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있다"라고 덧붙였습니다.