극저온 세슘 원자 기체에서 90년 전 예측된 '베테 스트링' 실험 검증

베테 스트링이란 무엇인가

1931년 물리학자 한스 베테는 특정 1차원 양자 시스템에서 입자들이 순수하게 상호작용만으로 결합해 다입자 속박 상태를 형성할 수 있다고 예측했다. 이를 베테 스트링이라 부른다. 화학 결합에 의존하는 일반 분자와 달리, 베테 스트링은 오직 1차원 공간에서만 존재하며 입자 간 인력 상호작용으로만 유지된다. 이후 수십 년간 이 개념은 고체 자성 시스템에서 간접적으로 관측된 바 있으나, 원자 기체에서의 직접 생성은 이번이 처음이다.

실험 구성: 1차원 튜브와 상호작용 제어

연구팀은 세슘 원자 구름을 수천 개의 가느다란 1차원 튜브 구조로 분할했다. 튜브 내부에서 원자는 사실상 한 방향으로만 이동할 수 있다. 원자 간 상호작용은 외부 조건을 조절해 척력에서 인력으로 전환할 수 있으며, 이때 원자들은 붕괴하지 않고 크기가 다양한 속박 상태를 형성했다. 6개 이상의 입자를 포함하는 클러스터도 관측됐다.

두 단계 팽창으로 속박 상태를 확인

베테 스트링의 존재를 확인하기 위해 연구팀은 두 가지 팽창 실험을 비교했다. 첫 번째 단계에서는 튜브 구조를 유지한 채 원자들을 1차원으로 팽창시켰다. 이 과정에서 스트링들은 서로 충돌하면서도 구조를 유지했다. 두 번째 단계에서는 튜브 구속을 제거해 3차원으로 자유 팽창하도록 했다. 베테 스트링은 1차원에서만 존재할 수 있으므로, 이 순간 속박 상태가 해체되면서 결합 에너지가 운동 에너지로 전환돼 원자들이 더 빠르게 퍼져나갔다. 속박 상태가 없는 척력 영역에서는 두 팽창 결과가 거의 동일한 에너지를 보인 반면, 스트링이 존재할 때는 3차원 팽창에서 추가 에너지가 명확히 관측됐다. 이 차이가 베테 스트링의 직접적인 실험적 증거로 제시됐다.

의미와 향후 연구 가능성

이번 연구는 90년 가까이 이론적 개념에 머물렀던 베테 스트링을 원자 기체라는 고도로 제어 가능한 플랫폼에서 구현했다는 점에서 의미가 있다. 고체 자성 물질과 달리 극저온 원자 기체에서는 시스템 기하학, 입자 밀도, 상호작용 세기를 독립적으로 정밀 조정할 수 있어 양자 다체 현상 연구에 유리하다. 다만 이번 실험은 베테 스트링의 생성과 기본 충돌 안정성 확인에 초점을 맞춘 것으로, 이를 양자정보 처리 등 응용 분야와 연결하려면 추가 연구가 필요하다. 연구는 인스브루크대, 암스테르담대 실험물리학과, 뮌헨공대 이론팀의 공동 작업으로 이루어졌다.