주기적 충격에도 가열 거부하는 양자 기체, 다체 동적 국소화 기원 규명

배경: 왜 양자 기체는 가열되지 않는가

고전적인 계에서는 주기적인 외부 충격이 반복될수록 에너지가 축적된다. 그러나 극저온 원자 기체에서는 양자 간섭(quantum interference) 효과가 에너지 흡수 자체를 억제할 수 있다. 이를 동적 국소화(dynamical localization)라 부른다. 단일 입자 수준에서는 이 현상이 잘 알려져 있으나, 입자들 사이의 상호작용이 존재하는 다체(many-body) 계에서도 이 국소화가 유지되는지는 오랜 미해결 문제였다.

2025년 실험과 이번 이론 연구의 연결

인스브루크대 실험물리학과 Hanns-Christoph Nägerl 연구그룹은 2025년 수행한 실험에서 상호작용하는 원자 기체가 주기 구동 하에서도 가열을 억제함을 실증했다. 그러나 그 미시적 메커니즘은 규명되지 않은 채로 남아 있었다. 이번에 저장대 Lei Ying 교수팀이 Nägerl 그룹과 공동으로 수행한 이론 연구가 그 공백을 채웠다.

격자 모델 변환과 거듭제곱 법칙 구조

연구팀의 핵심 기여는 복잡한 다체 구동 문제를 다루기 용이한 격자 모델(lattice model)로 변환하는 수학적 틀을 개발한 것이다. 이 분석을 통해 입자 간 상호작용이 국소화 구조에 보편적인 거듭제곱 법칙(power-law) 패턴을 도입하며, 상호작용 강도가 중간 수준에 이르면 국소화가 결국 붕괴함을 밝혔다. 즉, 약한 상호작용에서는 국소화가 유지되지만, 중간 세기에서는 열화(thermalization)로 전환되는 경계가 존재한다는 것이다.

실험 제안과 향후 과제

연구팀은 이번 이론적 예측을 실험실에서 직접 검증할 수 있는 극저온 원자 실험 방안도 구체적으로 제시했다. 이는 왜 일부 양자 다체 계가 열평형에 도달하지 않는지라는 근본적인 물음에 실험적으로 접근할 수 있는 경로를 제공한다. Nägerl 그룹은 현재 이번 결과를 2차원·3차원 계로 확장하는 후속 실험을 진행 중이며, 이 경우 결과가 어떻게 달라질지는 아직 불분명하다.