OIST 연구진, 전자 스핀력만으로 100mg 센티미터급 다이아몬드 이동 첫 관측

실험 구성과 작동 원리

연구팀은 두 가지 핵심 장치를 하나의 시스템으로 통합했다. 다이아몬드는 탄소 섬유 봉에 매달려 영구자석 위에 위치하며, 봉의 반대편 끝은 반자성(diamagnetic) 부상 상태인 흑연 판에 연결된다. 이 흑연 판 위에는 거울이 부착되어 있어 간섭계 레이저를 반사하는 역할을 한다. 간섭계는 피코미터(pm) 수준의 거리 변화를 감지할 수 있다.

핵심 메커니즘은 다이아몬드 내 수십억 개의 NV 센터에 있다. NV 센터는 불순물 격자 구조에 갇힌 짝 없는 전자를 보유하며, 50mW짜리 녹색 레이저를 주기적으로 조사하면 스핀 상태가 특정 방향으로 편극된다. 이 스핀 상태 변화는 미세한 자기 요동을 만들어 다이아몬드를 자석 쪽으로 밀어내는 힘으로 작용한다. 레이저 조사 시 측정된 상하 변위는 레이저를 끈 상태보다 통계적으로 유의미하게 컸다.

질량 규모의 의미

현재까지 스핀-역학 결합 실험에서 다뤄진 물체는 수십 나노미터 수준에 그쳤다. 이번 실험 대상인 100mg 다이아몬드는 그 질량이 기존 최첨단 실험 대비 8~9 자릿수(오더) 더 크다. 이는 단순한 규모 확장이 아니라 중력 효과가 실질적으로 관여하는 영역에서 양자 현상을 처음으로 확인했다는 점에서 물리학적으로 중요한 경계를 넘은 것이다.

기존 접근법은 나노 크기 입자를 광학 트랩으로 부상시킨 뒤 질량을 점진적으로 키우는 방식이었다. 반면 OIST 팀은 반대 방향, 즉 처음부터 거시 물체를 반자성 부상으로 띄우고 양자 효과를 탐색하는 전략을 취했다. 반자성 부상은 자기부상열차(maglev)에 쓰이는 원리와 동일하며, 진공 환경에서 환경 노이즈를 최소화하는 데 유리하다.

NV 센터의 장점

NV 센터가 이 실험에 적합한 이유는 제어 용이성과 긴 결맞음 시간(coherence time) 때문이다. NV 센터는 상온에서도 비교적 오랫동안 양자 중첩 상태를 유지할 수 있어, 다른 큐비트 플랫폼 대비 실험 조건을 대폭 완화할 수 있다. 연구팀은 이 특성이 향후 거시 물체의 운동 중첩 상태, 즉 물체가 동시에 두 위치에 있는 상태를 구현하는 데 핵심 자원이 될 것으로 전망한다.

향후 응용과 한계

이번 연구는 슈뢰딩거의 고양이 실험을 센티미터 규모에서 실현하기 위한 발판으로 평가된다. 연구팀은 실험 조건을 한 오더 더 개선하면 아인슈타인의 일반상대성이론 영역에서 양자 중첩을 관측하는 것이 가능하다고 본다. 더 나아가 이 플랫폼은 암흑물질, 중력파 등 미약한 신호를 감지하는 초정밀 센서로 발전할 가능성도 있다.

다만 현재 단계에서 관측된 것은 스핀 힘에 의한 고전적 역학 반응이며, 물체 자체의 양자 중첩은 아직 달성되지 않았다. 진공 격리, 열·진동 노이즈 억제, 더 큰 질량으로의 확장 등 풀어야 할 기술적 과제가 남아 있다. 이번 결과는 Science Advances에 2026년 10월 7일 게재됐다(DOI: 10.1126/sciadv.aeh0566).