비상호 상호작용으로 광빔이 양자유체 역류하는 현상 처음 실험 구현

역류 운동과 기존 메커니즘의 한계

유체 속에서 흐름을 역행하려면 외력이나 자체적인 에너지 소비가 필요하다. 이는 광자를 포함한 빛에도 동일하게 적용된다. 지금까지 실험적으로 관찰된 역류 현상은 대부분 와류 발생(vortex shedding) 방식을 기반으로 했다. 와류가 생성될 때 상류 방향의 반동 운동량이 전달되지만, 이 과정은 뉴턴 제3법칙, 즉 작용-반작용 대칭을 여전히 준수한다. 따라서 이 대칭 자체를 깨는 역류 메커니즘은 별개의 현상으로 분류된다.

비상호 상호작용: 작용-반작용 대칭의 위반

비상호 상호작용은 두 입자가 서로에게 미치는 영향이 비대칭인 상황을 말한다. 이 경우 내부 상호작용이 알짜 운동량으로 전환될 수 있으며, 이론적으로는 양자 유사 시스템에서 능동적 행동을 유발할 수 있다고 제안돼 왔다. Siyu Li 등의 연구팀은 Physical Review A에 발표한 논문에서 이 비상호 상호작용을 통해 작용-반작용 대칭을 위반하는 방식의 역류를 처음으로 실험적으로 증명했다. 계가 비평형 상태에 있다는 사실만으로는 이 대칭이 자동으로 깨지지 않는다는 점에서, 이번 결과는 개념적으로 뚜렷하게 구별된다.

실험 구성과 주요 결과

연구팀은 이론적 산란 분석, 수치 시뮬레이션, 실험실 실험을 결합한 복합 접근법을 사용했다. 두 개의 타이밍 조정 레이저 빔을 비선형 결정에 입사시켰으며, 넓은 빔은 광유체, 좁은 빔은 수영자(swimmer) 역할을 맡았다. 유체 빔을 기울여 횡방향 흐름의 속도와 방향을 제어했다. 비상호 조건에서는 좁은 빔이 유체 흐름과 반대 방향으로 이동했으며, 일반 상호작용 조건에서는 흐름 방향으로 이동해 직접적인 비교 기준을 제공했다.

역류의 물리적 기원은 수영자가 주변 유체를 비대칭으로 재형성하는 데 있다. 수영자를 기준으로 양측 유체 세기가 달라지면서, 이 비대칭 분포가 흐름 반대 방향의 힘을 수영자에게 되돌려준다. 유체 속도와 밀도를 체계적으로 변화시킨 결과, 역류 효과는 극단적인 조건이 아닌 중간 속도·밀도 범위에서 가장 강하게 나타났다.

광학 모사계의 의의와 한계

이번 실험은 초냉각 원자나 액체 헬륨 같은 실제 물질 양자유체가 아닌, 광학적으로 구현한 양자유체 모사 시스템을 사용했다. 결과를 물질 양자유체에 직접 일반화하려면 별도의 검증이 필요하다는 한계가 있다. 그럼에도 이 플랫폼은 비상호 상호작용 아래에서 나타나는 능동적 행동을 탐구하는 실험 기반으로서 유효하다. 향후 원자 기체나 설계 기반 양자 소재 등 다른 플랫폼에서도 유사 효과가 나타나는지 검증하는 것이 후속 과제로 제시됐다.