양자 스핀 액체 속 프랙톤, 현실적 고체 모델로 실험 검증 가능성 접근

프랙톤: 움직이지 않는 준입자

고체 내에서 다수 입자의 복합적 상호작용으로부터 출현하는 준입자(quasiparticle)는 물리학에서 익숙한 개념이다. 예를 들어 결정 내 격자 진동은 포논(phonon)으로 기술된다. 프랙톤은 이와 다른 종류의 이색적 준입자로, 서로 다른 스핀 질서 사이의 자기 도메인 벽 꼭짓점에서 발생한다. 이 입자의 가장 두드러진 특성은 사실상 독립적으로 이동이 불가능하다는 점이다. 오직 다른 프랙톤과의 상호작용을 통해서만 위치 변화가 가능하다. 이러한 이동 제약성은 이론적으로 양자 정보를 외부 교란으로부터 안정적으로 저장하는 수단으로 활용될 수 있다고 여겨진다.

양자 스핀 액체와 이론 예측의 배경

양자 스핀 액체는 결정 내 전자의 자기 모멘트가 절대영도(0 K)에서도 고정된 질서 없이 끊임없이 요동하는 이색적 물질 상태다. 마치 액체 속 원자처럼 스핀이 계속 움직이기 때문에 이 명칭이 붙었다. 프랙톤이 이 계에서 존재할 수 있다는 이론적 예측은 이전까지 rank-2 U(1) 게이지 이론이라는 고도로 추상화된 장 이론 틀 안에서만 가능했다. 이러한 이론은 물리적으로 매우 일반화된 수준에서 서술되기 때문에, 실제 물질 실험과 직접 연결하기가 어렵다는 근본적 한계가 있었다.

개선된 고체 양자 모델의 성과

Reuther와 Niggemann 팀의 이번 연구는 게이지 장 이론보다 현실에 가까운 고체 양자 모델을 사용해 프랙톤 상(phase)의 존재에 대한 수치적 근거를 확보했다는 점에서 차별화된다. 이전 연구들에서는 양자 효과를 모형에 포함시키면 두 가지 문제 중 하나가 발생했다. 양자 효과가 지나치게 강하면 프랙톤 자체가 소멸했고, 반대로 너무 약하면 프랙톤이 양자적 성질을 잃고 고전 입자로만 존재했다. 이번에는 스핀 상호작용 모델링을 개선함으로써 이 두 극단을 피하고 프랙톤이 양자적 성질을 유지하는 영역을 수치 시뮬레이션으로 확인했다. 운동량 공간에서 스핀 상관관계의 푸리에 변환 분포를 분석한 결과, 새 고체 모델의 출력이 기존 게이지 장 이론의 결과와 거의 일치하는 것을 확인했다. 해당 논문의 제목은 '2D 스핀-1 모델에서 갭 없는 프랙톤 양자 스핀 액체와 창발 광자'로, 프랙톤 외에도 창발 광자(emergent photon)의 존재도 다루고 있다.

실험 검증을 위한 다음 과제

이론적 진전에도 불구하고 프랙톤은 아직 실험적으로 관측된 바 없다. 연구팀은 실험 검증을 위해 이론 모델이 가정하는 물성을 실제로 구현하는 물질을 개발하는 것이 다음 과제라고 밝혔다. 연구팀은 HZB 내 실험 고체물리학 분야 연구자들과의 직접적인 교류를 통해 모델 개선에 도움을 받았다고 설명했다. 실험 후보 플랫폼으로는 리드버그 원자 시뮬레이터(Rydberg atom simulator)가 유력하게 거론된다. 다만 이론 모델과 정확히 대응하는 물질을 합성하거나 시뮬레이터로 구현하는 일은 여전히 상당한 공학적·물리적 난관을 동반한다.