뉴턴도 울고 갈 '공중 부양' 시간 결정체... 물리 법칙 깨고 무한 '공명'

현대 물리학의 근간을 뒤흔드는 새로운 형태의 물질 상태가 발견됐다.

17일(현지시각) 과학 전문매체 사이테크데일리에 따르면 뉴욕대학교(NYU) 물리학 연구팀은 최근 음파를 이용해 입자를 공중에 띄우고, 이들이 스스로 규칙적인 리듬을 타며 진동하는 '음향 시간 결정(Acoustic Time Crystal)'을 성공적으로 만들어냈다고 발표했다.


시간 결정은 원자들이 공간적으로 반복되는 일반적인 결정(Crystal)과 달리, 시간에 따라 특정 패턴을 반복하는 독특한 물질 상태다. 2012년 노벨 물리학상 수상자 프랭크 윌첵이 처음 이론으로 제시했을 당시만 해도 "에너지 공급 없이 영구적으로 움직이는 것은 불가능하다"는 비판을 받았으나, 이후 양자 시스템에서 그 존재가 증명되며 물리학계의 최대 화두 중 하나로 떠올랐다.

이번 발견이 혁명적인 이유는 우리가 익히 아는 고전 물리학의 대원칙을 깨뜨렸기 때문이다. 뉴턴의 제3법칙에 따르면 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 존재해야 한다. 하지만 연구팀이 만든 시스템에서는 입자들이 서로에게 미치는 영향력이 불균등했다.

연구팀은 약 30cm 높이의 음향 부양 장치 속에 크기가 다른 스티로폼 구슬들을 넣었다. 음파가 입자들에 힘을 가해 중력을 이기고 공중에 띄우자, 입자들은 서로 음파를 산란시키며 대화를 시작했다. 이때 큰 구슬은 작은 구슬에 강한 영향을 미치지만, 작은 구슬은 큰 구슬에 거의 영향을 주지 못하는 '비상호적(Non-reciprocal) 상호작용'이 발생했다. 이 불균형 덕분에 외부의 주기적인 자극 없이도 구슬들은 스스로 안정적인 리듬을 형성하며 '똑딱'이는 시간 결정체로 변모했다.


기존의 시간 결정 연구들이 극저온의 진공 상태나 복잡한 양자 얽힘을 필요로 했던 것과 달리, NYU의 시스템은 놀라울 정도로 단순하다.

사이테크데일리에 따르면 연구를 주도한 데이비드 그리어 교수는 "우리 시스템은 사람이 손에 쥘 수 있을 정도로 작고 단순하며, 무엇보다 맨눈으로 관찰할 수 있다는 점이 놀랍다"고 설명했다.

이러한 비상호적 상호작용은 인간의 생체 시계(일주기 리듬)나 소화 과정 등 생화학 시스템에서도 유사하게 나타난다. 따라서 이번 연구는 물리학적 성과를 넘어 생물학적 메커니즘을 이해하는 새로운 열쇠가 될 것으로 기대된다.

비록 아직 상업적 용도로 사용되지는 않지만, 시간 결정은 에너지 손실 없이 정보를 저장하거나 양자 컴퓨팅의 안정성을 높이는 데 결정적인 역할을 할 수 있다. 연구팀은 이번 성공을 바탕으로 더 복잡한 비상호적 시스템을 연구하여 기술 및 산업 전반에 응용할 수 있는 길을 모색할 계획이다.

이번 연구 결과는 세계적인 물리학 학술지 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재되었다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com