시간 결정

3. 개념

일반 결정은 공간적 대칭성과 관련된 자발적인 대칭성 깨짐을 통해 형성된다. 다이아몬드, 소금 결정과 같이, 이러한 과정은 흥미로운 특성을 가진 물질을 생성할 수 있다. 시간 결정은 이와 유사하게 시간 이동 대칭성의 자발적인 깨짐을 통해 발생한다.^[7]

시간 결정은 비공식적으로 시간-주기적 자기 조직 구조로 정의될 수 있다. 일반적인 결정이 공간에서 주기적인 구조를 갖는 반면, 시간 결정은 시간에 대해 주기적인 구조를 갖는다는 점에서 차이가 있다. 예를 들어, 진자 시계의 진자는 시간에 대해 주기적이지만, 시간 결정은 "자발적으로" 자기 조직화되어 견고한 주기적 운동을 보인다는 특징이 있다(시간적 대칭성을 깨뜨림).^[7]

시간 결정의 개념은 2012년 MIT 교수이자 노벨상 수상자인 프랭크 윌첵에 의해 처음 제시되었다.^[78] 2013년에는 버클리의 나노 엔지니어 Xiang Zhang과 그의 팀이 끊임없이 회전하는 하전된 이온 형태로 시간 결정을 만드는 것을 제안했다.^[79]

이후 프랑스 그르노블에 있는 유럽 싱크로트론 방사광 시설의 이론가 Patrick Bruno와 도쿄 대학의 오시카와 마사키는 시간 결정이 바닥 상태에서는 불가능하다는 것을 밝혀냈다.^[80][81]

이후의 연구를 통해 시간 병진 대칭성의 파괴에 대한 보다 정확한 정의가 발전했으며, 평형 상태의 양자 시간 결정은 불가능하다는 노고 정리으로 이어졌다.^[82][76] 그러나 평형이 성립하지 않는다는 주장을 피하는 시간 결정을 구현하는 방법이 제안되었고,^[83] 야기엘론 대학교의 Krzysztof Sacha는 주기적으로 구동되는 극저온 원자계의 이산 시간 결정의 거동을 예측했다.^[77] 이후 주기적으로 구동되는 양자 스핀계가 유사한 거동을 보인다는 연구와^[84] 버클리의 Norman Yao가 시간 결정의 다른 모델을 연구했다.^[85] 그리고, Yao의 청사진은 하버드 대학교와 메릴랜드 대학교에서 성공적으로 사용되었다.^[86][87]

물리 법칙은 우주의 어디에서나 똑같이 작용한다는 대칭성(보편성)이 존재한다. 그러나 블랙홀의 중심에서는 물리 법칙이 통용되지 않는 경우가 있는데, 이를 "공간 대칭성이 깨져있다"라고 표현한다. 상대성 이론에서는 공간과 시간을 불가분의 것으로 생각하는 시공간을 다루기 때문에, 공간 대칭성이 깨졌다면 시간 대칭성도 깨질 수 있다는 예상이 나왔다.

원래 물리 법칙은 시간에서도 언제나 똑같이 작용해야 하지만, 양자역학의 세계에서는 기존의 물리 법칙이 통용되지 않는 현상이 관측되기도 한다. 예를 들어, 물질에 1초 간격으로 에너지를 조사했을 때, 물질도 1초 간격으로 반응해야 하는 것이 일반적이다. 그러나 물질의 반응이 0.5초 간격으로 빨라지거나, 2초 간격으로 늦어지거나, 무작위로 변화하는 경우에는 시간 대칭성이 깨진 것으로 볼 수 있다. 이는 에너지 보존의 법칙에도 위배되는 현상이다.

3. 1. 시간 병진 대칭성

3. 2. 일반 결정에서의 깨진 대칭

3. 3. 이산 시간 결정 (DTC)에서의 깨진 대칭

• 깨진 대칭성: 시스템은 구동력보다 ''더 긴'' 주기로 진동을 보인다.
• 암호 평형 상태: 이러한 진동은 엔트로피를 생성하지 않으며, 시스템이 스트로보스코프적으로 측정될 때 평형과 구별할 수 없는 시간 의존적 프레임을 찾을 수 있다.^[15]
• 장거리 질서: 진동은 임의로 먼 거리와 시간에 걸쳐 위상이 일치(동기화)된다.

4. 열역학

시간 결정은 열역학 법칙을 위반하지 않는다. 전체 시스템의 에너지는 보존되며, 이러한 결정은 열 에너지를 기계적 일로 자발적으로 변환하지 않으며, 영구적인 일 저장소 역할을 할 수 없다. 그러나 시스템을 유지할 수 있는 한 고정된 패턴으로 영구적으로 시간 변화를 겪을 수 있다. 이들은 "에너지 없는 운동"^[16]을 가지며, 겉보기 운동은 기존의 운동 에너지를 나타내지 않는다.^[17]

시간 결정은 열역학 제2법칙을 회피하지 않으며,^[18] 열역학에서 시간 결정의 엔트로피는 시스템의 무질서 정도를 나타내는 척도로 이해되며, 시간이 지남에 따라 일정하게 유지되어 감소하지 않음으로써 열역학 제2법칙을 간신히 만족시킨다.^[19][20]

5. 실험

2016년 10월, 메릴랜드 대학교의 크리스토퍼 먼로는 야오(Yao) 등이 제안한 아이디어를 사용하여^[36] 세계 최초의 이산 시간 결정을 만들었다고 주장했다. 같은 해, 미하일 루킨도 하버드 대학교에서 구동 시간 결정의 생성을 보고했다.^[37]

2018년 5월, 알토 대학교의 연구팀은 절대 영도에서 켈빈의 만 분의 일 이내로 냉각된 헬륨-3 초유체에서 시간 준결정의 형성 및 연속 시간 결정으로의 위상 전이를 관찰했다고 보고했다.^[58] 2020년 8월 17일 ''네이처 머터리얼스''는 동일한 연구팀의 논문을 게재하여, 처음으로 두 개의 시간 결정 사이의 구성 입자의 상호 작용과 흐름을 관찰할 수 있었다고 밝혔다.^[59]

2021년 2월, 막스 플랑크 지능형 시스템 연구소의 연구팀은 마그논으로 구성된 시간 결정을 생성하고 이를 주사 투과 X선 현미경으로 탐지하여 이러한 유형의 최초의 비디오 기록에서 반복적인 주기적 자화 구조를 포착했다고 설명했다.^[60][61]

2021년 7월, 함부르크 대학교 레이저 물리학 연구소의 안드레아스 헤머리히가 이끄는 연구팀은 초저온 원자를 광학 공진기에 결합하여 "소산 시간 결정"이라고 하는 열린 시스템에서 시간 결정을 처음으로 구현했다.^[45][46][47]

2021년 11월, 구글과 여러 대학의 물리학자들의 협력으로 구글의 시카모어 프로세서, 즉 양자 컴퓨팅 장치에서 이산 시간 결정의 관찰이 보고되었다.^[20][62]

2022년 2월, UC 리버사이드의 한 과학자는 2021년 7월의 시스템과 유사하지만 전적으로 광학적인 소산 시간 결정을 보고했으며, 이를 통해 실온에서 작동할 수 있었다.^[67][68]

2022년 3월, 멜버른 대학교의 두 물리학자가 양자 프로세서에서 시간 결정을 연구하는 새로운 실험을 수행했으며, 이번에는 IBM의 양자 프로세서를 사용하여 총 57개의 큐비트를 관찰했다.^[69][70][71]

2022년 6월, 한스 케슬러와 안드레아스 헤머리히가 감독하는 함부르크 대학교 레이저 물리학 연구소의 연구팀에서 연속 시간 결정의 관찰이 보고되었다.^{[72][73][74][75]}

6. 관련 개념

프랭크 윌첵이 2012년에 시간 결정 개념을 처음 제시했다.^[78] 이후, "안무 결정체"(직역하면 "무용 결정")라고 불리는 유사한 개념이 제안되었다.^[91]

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