양자 임계점 에너지 스펙트럼, 광트위저 시뮬레이터로 처음 직접 관측

보편성과 공변환장이론

서로 전혀 다른 물질이 상전이 지점에서 동일한 수학적 규칙을 따르는 현상을 물리학자들은 '보편성(universality)'이라 부른다. 이 보편성을 기술하는 이론 체계가 공변환장이론(CFT)이다. 이징 CFT와 삼중임계 이징 CFT는 각각 질서·무질서 상태 사이 전환점에 놓인 양자 계에서 나타나는 보편 거동을 다루며, 이 전환은 온도가 아니라 순수한 양자 효과에 의해 구동된다. 전환점에서 레이저로 계를 여기하면 사다리 계단처럼 특정 비율로 배열된 불연속 에너지 준위가 나타날 것이라고 이론은 예측해 왔다.

40년 만의 실험적 검증

이 에너지 준위 간격의 비율은 약 40년에 걸쳐 이론적으로 계산됐지만 실험으로 직접 측정된 사례는 없었다. Caltech의 Manuel Endres 실험 그룹과 Jason Alicea 이론 그룹, 파리-사클레 대학교, 뮌헨공과대학교가 공동으로 이 공백을 메웠다. 연구 결과는 2026년 8월 Nature에 발표됐다(DOI: 10.1038/s41586-026-10904-x). 공동 제1저자 Xiangkai Sun은 Endres 연구실 박사과정생이다.

광트위저 플랫폼과 리드베르크 원자

실험 플랫폼은 양자 컴퓨터 개발에 쓰이던 광트위저 기반 중성 원자 어레이다. 레이저로 스트론튬 원자들을 일렬로 포획한 뒤, 별도의 레이저로 원자들을 에너지가 높은 리드베르크 상태로 여기해 인접 원자 간 강한 상호작용을 유도했다. 이 과정에서 원자 사슬은 독립 입자의 집합이 아닌 단일 양자 계로 거동한다. Endres 연구실은 관련 플랫폼으로 단일 배열에 6,100개 원자를 포획하는 기록도 세운 바 있다.

다체 변조 분광법과 측정 결과

에너지 사다리를 읽기 위해 팀은 이번 연구용으로 개발한 다체 변조 분광법(many-body modulation spectroscopy)을 사용했다. 레이저를 특정 주파수로 변조해 원자 사슬 전체를 미세하게 흔든 뒤 반응이 급증하는 주파수를 추적하는 방식으로, 와인 잔 가장자리를 적절한 속도로 문질러 공명을 유도하는 원리와 유사하다. 최대 35개 원자 사슬에서 반복 측정한 결과, 크기에 따라 스케일링하면 이징 CFT가 예측하는 단일 보편 곡선으로 수렴함을 확인했다. 삼중임계 이징 점에서는 이론이 예측하는 별도의 에너지 비율도 관측됐다. 개별 원자 조작 능력을 활용해 여기 모드를 대칭성에 따라 분류하고 경계 조건을 변경함으로써, 이론이 예측하는 복수의 에너지 패턴도 확인했다.

한계와 향후 계획

현재 실험은 1차원 원자 사슬에 한정된다. 2차원 격자계에서는 CFT에 대한 이해 자체가 아직 불완전하며, 연구팀은 더 큰 원자 격자로 확장해 2차원 CFT 탐색에 나설 계획이다. 이 분광 기법은 사전에 답을 알지 않아도 적용 가능하다는 특성상, 고전 컴퓨터로는 계산이 불가능한 미지의 양자 계에도 활용할 수 있다는 점이 주목된다.