물탱크로 재현한 아하로노프-봄 효과, 예측 못한 회전 마디선 발견

아하로노프-봄 효과와 유체 유사 실험의 배경

아하로노프-봄 효과는 1959년 이론적으로 제안된 현상으로, 자기장 영역 밖을 지나는 전자가 자기장의 직접적인 영향권에 진입하지 않고도 파동 위상이 변화한다는 내용이다. 실험적 확인까지 20년 이상이 걸릴 만큼 측정이 간접적이고 까다로웠다. 1980년 이론물리학자 마이클 베리는 배수구의 소용돌이를 솔레노이드 대용으로 삼아 수면파로 이 효과를 모사할 수 있음을 처음 보였고, 소용돌이 주변을 지나는 수면파에서 피치포크 모양의 위상 왜곡 패턴이 나타남을 확인했다.

이번 실험의 설계와 예상치 못한 발견

OIST 비선형·비평형 물리학 연구실은 노르웨이 오슬로 대학교, 칠레 아돌포 이바녜스 대학교와 공동으로 맞춤 제작된 대형 수조 중앙에 소용돌이를 형성하고, 수조 양쪽에서 동시에 수면파를 발생시키는 실험을 설계했다. 수면 아래에서 조명을 비추고 고속 카메라로 전면 파동 패턴을 기록했다. 소용돌이가 없는 경우 양방향 파동이 만나면 예측 가능한 정상파가 형성되지만, 소용돌이가 존재할 때는 파동 위상이 뒤틀려 파고가 0이 되는 선, 즉 마디선이 생성되고 이 선들이 소용돌이 방향과 반대로 회전하는 현상이 나타났다. 소용돌이 세기를 높일수록 마디선의 수도 증가했다.

이론적 해석과 위상학적 함의

연구팀은 초기에 마디선을 실험 아티팩트로 의심했으나 수치 시뮬레이션에서도 동일하게 재현되자 수학적 분석을 통해 그 발생 기제를 규명했다. 이 마디선은 계 전체에 걸쳐 나타나는 위상학적 파동 거동으로 분류되며, 양자 실험에서는 직접 관측하기 어려운 성질을 고전적 유체 시스템이 가시화했다는 점에서 의미가 있다. 고전 유사 시스템은 양자 실험의 한계를 보완하는 탐색 도구로서의 가치를 다시 한번 보여준다.

향후 연구 방향과 한계

수석 저자인 마헤시 반디 교수는 다수의 소용돌이를 격자 구조로 배열하면 일부 초전도 물질 내 초전류 조건을 모사할 수 있다고 밝혔다. 다만 현 단계에서 발견된 마디선 현상의 실용적 응용 가능성은 미지수이며, 연구팀 스스로도 이른 시점임을 인정하고 있다. 고전 유사 시스템이 양자 효과를 완전히 대체하거나 동일한 현상을 재현한다고 볼 수 없으며, 어디까지나 위상학적 거동을 탐색하는 보조 플랫폼으로서의 역할에 그친다.