시간을 조작하여 광자(光子)를 정면 충돌시키는 데 성공!

시간을 조작하여 광자(光子)를 정면 충돌시키는 데 성공!

양자의 세계에서는 시간도 자유로워지는 것 같습니다.

미국 뉴욕시립대(CUNY)에서 진행된 연구에서는 시간을 조작함으로써 광자(光子)를 정면 충돌시키는 데 성공했습니다.

질량이 없는 광자(전자파)는 보통이라면 충돌하지 않고 서로 지나쳐 버립니다.

그러나 새로운 연구에서는 시간적 경계면을 인공적으로 생성하는 시간 반사 기술이 사용되고 있으며, 시간 반사된 광자를 다른 광자와 정면 충돌시켜 붙였다가 반발해 역방향으로 튕겨내는 데도 성공했습니다.

연구자들은 ball 끼리의 충돌이 공간적으로 일어나는 반면 광자와 광자의 충돌은 시간적 측면에서 발생한다고 말합니다.

빛과 빛이 충돌할 때 도대체 무슨 일이 일어나는 것일까?

자세한 연구 내용은 2023년 8월 14일에 「Nature Physics」에 게재되었습니다.

◆ 시간 반사는 파도 시간을 반전시킨다

잘 생각하면 반사는 신기한 현상이에요.

반사란 운동하는 물체가 벽 등에 부딪혀 가지고 있는 운동량을 역방향으로 변환됨으로써 일어납니다.

이 현상은 테니스공이나 축구공뿐만 아니라 질량이 없는 광자(전자파)나 공기의 진동인 음파에서도 일어납니다.

(※우리가 일반적으로 인식하는 가시광선은 전자파의 일종이며 방사선과 라디오파 모두 같은 전자파의 동류입니다.)

예를 들어 벽을 향해 '아이우에오(AIUEO)'라고 외치면 각각의 소리는 저쪽 벽에 차례로 반사되어, 같은 순서로 '아이우에오(AIUEO)'라고 돌아옵니다.

메아리나 동굴에서 목소리가 반향하는 등의 현상은 당연히 모두 소리의 반사에 의해 일어나는 것입니다.

그리고 최근의 진보한 파동 과학에서는, 다양한 파도가 가지는 「시간」의 자유도 조작할 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

자유도라는 것은 말 그대로 자유로운 값을 취할 수 있는 수치입니다.

뉴욕시립대학에서는 이전부터, 이 파도의 시간을 조작하는 방법으로서 「시간 반사」의 기술개발을 하고 있었습니다.

시간 반사가 일어나면 되돌아오는 소리의 순서가 바뀌게 된다.

시간 반사가 일어나면 되돌아오는 소리의 순서가 들려 버린다 / / Credit: ANDREA ALU

시간반사란 파도를 시간적으로 반전시키는 것으로, 예를 들어 음파에 대해 시간반사가 일어나면 '아이우에오(AIUEO)'라고 발한 목소리의 '과거와 미래'가 역전되어 돌아오는 메아리는 '오에이아(UEUIA)'라고 들리게 되어 버립니다.



또한 시간 반사가 일어나면 거울을 봤을 때 자신의 등이 보이게 되어 버린다고 생각할 수 있습니다.

지금까지 전자파에서 시간 반사를 일으키는 것은 어렵다고 알려졌지만, 최근 연구에서는 전자파가 전해지는 매체의 성질을 급속히 변화시킴으로써 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다.

매체의 성질이 변화한 순간에는 전자파의 운동량은 유지된 채로 있습니다.

그러나 전자파와 매체의 관계가 크게 변화하면서 순간적으로 주파수만 바뀌어 버리는 것입니다.

예를 들면, 수중을 날고 있는 스프링(전자파) 주위가 순식간에 물방울이 되면, 스프링 자체의 운동량은 변하지 않아도 스프링의 길이(주파수)가 바뀌어 버리는 상태에 가깝다고 말할 수 있을 것입니다.

이때 주파수의 변화 정도를 적절한 수준으로 할 수 있다면 내부 전자파의 주파수를 조절하여 시간적 반전을 일으킨 상태를 순간적으로 생성할 수 있는 것입니다.

시간 반사라고 하면 말을 듣고, 시간여행을 사용한 웅장한 역사 개편 드라마를 연상한 사람에게는 조금 실망스러울 수도 있습니다.

그러나 전자파 위라고 하는 국소적인 세계였다고 해도, 파도의 성질에 인공적인 「시간적인 반전」을 일으킬 수 있게 된 것은, 큰 진보라고 할 수 있을 것입니다.

하지만 이번 연구는, 한층 더 파고들고 있어, 시간 반사의 기술을 사용해 통상이라면 있을 수 없는, 광자(전자파)의 충돌에 도전하고 있습니다.


◆ 시간 반사로 광자끼리의 충돌을 실현시키다

지금까지는, 광자(전자파)끼리는 통상의 환경에서는 기본적으로 충돌하지 않고, 서로 빠져나가는 것으로 생각해 왔습니다.

또 광자끼리 교차하는 상황에서는 대부분의 경우 '정면충돌'이 아닌 간섭파라고 하는 얼룩무늬의 새로운 빛 패턴을 생성합니다.

이 간섭패턴은 광자 간 간섭에 의한 것이지만 충돌한 것은 아닙니다.

광자(전자파)는 물질 입자들 사이의 힘을 전달하는 입자로, 서로의 상호작용은 극히 희박하기 때문입니다.

광자(전자파)는 다양한 물질 입자와 충돌을 일으키거나 여러 광자가 함께 이동하는 경우는 있지만 광자끼리의 정면충돌은 통상의 환경에서는 우선 일어나지 않습니다.

그러나 이번에 뉴욕시립대 연구자들은 자신들이 개발한 전자파의 시간 반사를 하게 하는 기술이라면 광자 정면충돌이 가능하지 않을까 생각했습니다.

발상의 계기는 지진파와 쓰나미에 대한 연구였습니다.

지진파나 쓰나미와 같은 파도는 적어도 이론적으로는 반대 주파수를 가진 파도를 충돌시킴으로써 상쇄하거나 약화시키는 것이 가능합니다.

따라서 과거 연구에서는 인공적으로 발생시킨 진동으로 지진이나 쓰나미 피해를 줄일 수 있는지 여부가 검토되었습니다.

결과, 이론적으로는 불가능하지 않지만 실현하는 것은 무리인 것으로 밝혀졌습니다.

바이올린 현이 만드는 음파 정도라면 반대 주파수를 가진 파도를 만들 수 있지만 지진이나 쓰나미 수준에서 실시하는 것은 현실적이지 않았기 때문입니다.

그럼 반대로 양자 수준의 작은 파도라면 가능한 것일까?

기존 상식이라면 불가능했을 것입니다.

그러나 연구자들이 과거에 개발한 시간 반사를 하는 장치는 주파수가 시간적으로 역전된 파도를 만들 수 있어 광자(전자파)의 정면 충돌을 일으킬 가능성이 있었습니다.

그리고 실제로 실험을 실시해 본 결과, 광자(전자파)끼리 충돌을 일으키고 있는 것이 밝혀진 것입니다.

또한 장치를 사용하여 시간 반사된 전자파의 성질을 제어해 보았더니, 새롭게 3종류의 다른 충돌 형태가 발견되었습니다.

◆ 시간반사를 조절하면 광자 충돌 패턴을 제어할 수 있었습니다

시간 반사를 조절하면 광자 충돌 패턴을 제어할 수 있다

첫 번째는 비탄성 고무공이 충돌하는 것과 비슷한 패턴이었고, 두 광자는 서로 붙어 버렸습니다.

두 번째는 당구공이 충돌하는 패턴으로 어느 정도 탄성을 가지고 서로가 반대 방향으로 튕겨나갑니다.

세 번째는 고반발 공끼리 부딪힌 경우로 충돌한 두 광자가 전보다 더 큰 운동 에너지를 가지고 반대편으로 날아갑니다.

즉, 시간반사 기술을 사용함으로써 불가능하다고 생각되었던 광자 간의 충돌을 실현할 뿐만 아니라 충돌 패턴도 제어할 수 있었던 것입니다.

또한 추가 연구에서 두 개의 전자 펄스를 서로 충돌시킴으로써 전자 펄스를 새로운 것으로 '성형'할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

이 기술을 사용하면 어떤 정보를 포함한 전자펄스에 추가신호를 충돌시켜 다른 정보를 나타내는 전자펄스로 만드는 등 응용이 가능합니다.

현재, 이 전자펄스의 「정형」은 라디오파 수준에서는 실현되고 있으며, 연구자들은 장래에는 보다 고주파의 전자펄스에도 적용하는 것을 목표로 하고 있습니다.

만약 전자파를 충돌시키는 기술이 당연해지면 통신·무선충전·입체영상·양자연산기 등 폭넓은 분야에서 응용 가능해질 것입니다.

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No longer ships passing in the night: these electromagnetic waves had head-on collisions
https://www.eurekalert.org/news-releases/998279

Observation of temporal reflection and broadband frequency translation at photonic time interfaces
https://www.nature.com/articles/s41567-023-01975-y

No longer ships passing in the night: these electromagnetic waves had head-on collisions