초저온 원자
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1. 개요
초저온 원자는 원자를 극도로 낮은 온도까지 냉각시킨 상태를 말하며, 레이저 냉각 기술, 자기광학 트랩, 증발 냉각 등을 활용하여 생성된다. 1933년 개별 나트륨 입자 굴절 시연 이후, 도플러 냉각 기술 개발, 자기광학 트랩의 개발, 보스-아인슈타인 응축 발견 등으로 발전해 왔다. 초저온 원자는 양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션, 정밀 측정, 원자 시계 등 다양한 분야에 활용되며, 응집 물질 물리학 연구 및 기초 과학 연구에도 기여한다.
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| 초저온 원자 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 원자 |
| 온도 | 절대 영도에 가까운 극저온 |
| 연구 분야 | |
| 활용 분야 | 원자 물리학 분자 물리학 응집 물질 물리학 광학 |
| 상세 내용 | |
| 냉각 방법 | 레이저 냉각 증발 냉각 자기 냉각 |
| 관련 현상 | 보스-아인슈타인 응축 페르미온 응축 초유체 |
| 주요 연구 대상 | 알칼리 금속 원자 알칼리 토금속 원자 희토류 금속 원자 이테르븀 크롬 디스프로슘 에르븀 |
| 응용 | 양자 시뮬레이션 원자 시계 양자 컴퓨팅 정밀 측정 |
| 양자 컴퓨터 | 중성 페르미온 원자를 이용한 2 큐비트 양자 게이트 구현 연구 |
| 논리 양자 프로세서 | 재구성 가능한 원자 배열 기반으로 구현됨 |
2. 역사
초저온 원자 샘플은 일반적으로 희석된 기체가 레이저장과 상호 작용하여 준비된다. 빛이 원자에 가하는 힘인 복사압력에 대한 증거는 1901년 레베데프, 니콜스, 헐에 의해 독립적으로 입증되었다.
이후 레이저를 이용한 도플러 냉각, 자기광학 트랩, 증발 냉각 (원자 물리학) 등의 기술이 발전하면서 초저온 원자 연구가 본격화되었다. 이러한 기술 개발에 기여한 스티븐 추, 클로드 코헨-타누지, 윌리엄 D. 필립스는 1997년 노벨 물리학상을, 에릭 코넬, 볼프강 케테를레, 칼 와이먼은 2001년 노벨 물리학상을 수상하였다.
2. 1. 레이저 냉각 기술의 발전
1933년, 오토 프리쉬는 나트륨 램프에서 생성된 빛으로 개별 나트륨 입자의 굴절을 시연했다.[6]레이저의 발명은 빛으로 원자를 조작하는 추가 기술 개발을 촉진했다. 1975년, 도플러 효과를 이용하여 원자에 가해지는 복사력을 원자의 속도에 의존하게 하여 원자를 냉각시키는 도플러 냉각 기술이 처음 제안되었다. 갇힌 이온 샘플을 냉각시키는 유사한 아이디어도 제안되었다. 3차원에서 도플러 냉각을 적용하면 원자의 속도를 일반적으로 초당 몇 cm로 늦추는데, 이를 광학 당밀이라고 한다.[6]
이러한 실험에 사용되는 중성 원자의 공급원은 수백 켈빈의 온도에서 원자를 생성하는 열적 오븐이었다. 이러한 오븐에서 나오는 원자는 초당 수백 미터의 속도로 이동한다. 도플러 냉각의 주요 기술적 과제 중 하나는 원자가 레이저 빛과 상호 작용할 수 있는 시간을 늘리는 것이었다. 이 과제는 제만 감속기의 도입으로 극복되었다. 제만 감속기는 공간적으로 변화하는 자기장을 사용하여 도플러 냉각과 관련된 원자 전이의 상대적인 에너지 간격을 유지하여 원자가 레이저 빛과 상호 작용하는 시간을 증가시킨다. 실험에서는 전기를 가열하면 방출될 수 있는 순수한 금속(일반적으로 알칼리 금속) 막대인 금속 분사기를 사용할 수도 있다 (증기압이 더 높다).
1987년 라브 등의 첫 번째 자기광학 트랩(MOT) 개발은 초저온 원자 샘플을 만드는 중요한 단계였다. MOT로 얻을 수 있는 일반적인 온도는 수십에서 수백 마이크로켈빈이다. 자기 광학 트랩은 자기장을 적용하여 공간에서 원자를 가두어 레이저가 속도 의존적 힘뿐만 아니라 공간적으로 변화하는 힘을 제공하도록 한다. 1997년 노벨 물리학상[6]은 레이저 빛으로 원자를 냉각하고 가두는 방법 개발에 대한 공로로 스티븐 추, 클로드 코헨-타누지, 윌리엄 D. 필립스에게 수여되었다.
증발 냉각 (원자 물리학)은 사티엔드라 나트 보스와 알베르트 아인슈타인이 예측한 새로운 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축 (BEC)을 발견하기 위한 실험적 노력에 사용되었다. 증발 냉각에서는 샘플에서 가장 뜨거운 원자가 빠져나가도록 하여 샘플의 평균 온도를 낮춘다. 2001년 노벨상[1]은 에릭 코넬, 볼프강 케테를레, 칼 와이먼에게 알칼리 원자의 희석된 기체에서 보스-아인슈타인 응축을 달성하고, 응축의 특성에 대한 초기 기초 연구를 한 공로로 수여되었다.
최근 몇 년 동안, 편광 구배 냉각, 회색 당밀 냉각, 라만 사이드밴드 냉각을 포함한 다양한 서브 도플러 냉각 기술을 통해 광학 핀셋에서 단일 원자의 냉각 및 트래핑이 가능해졌다.[7][8][9] 광학 핀셋 및 광학 격자에서 초저온 중성 원자를 활용하는 실험 플랫폼은 양자 컴퓨팅, 양자 시뮬레이션 및 원자 시계 정밀 계측 연구에 점점 더 널리 사용되고 있다. 다른 상태로의 붕괴 확률이 낮고 많은 광자를 산란시킬 수 있는 닫힌 사이클 전이를 가진 원자는 초저온 중성 원자 실험에 흔히 사용되는 종이다. 알칼리 금속의 최저 에너지 미세 구조 전이는 형광 이미징을 가능하게 하며, 초미세 구조와 제만 효과 부수준의 조합은 서브 도플러 냉각을 구현하는 데 사용될 수 있다. 알칼리 토금속 또한 좁은 선폭 냉각 전이와 초좁은 광학 시계 전이로 인해 인기를 얻고 있다.
2. 2. 보스-아인슈타인 응축 (BEC) 발견
초저온 원자 샘플은 일반적으로 희석된 기체가 레이저장과 상호 작용하여 준비된다. 1933년 오토 프리쉬는 나트륨 램프에서 생성된 빛으로 개별 나트륨 입자의 굴절을 시연했다.레이저의 발명은 빛으로 원자를 조작하는 추가 기술 개발을 촉진했다. 1975년에는 도플러 냉각 기술이 제안되었는데, 이는 도플러 효과를 이용하여 원자를 냉각시키는 방법이다. 3차원에서 도플러 냉각을 적용하면 원자의 속도를 늦출 수 있으며, 이를 광학 당밀이라고 한다.[6]
제만 감속기는 공간적으로 변화하는 자기장을 사용하여 원자가 레이저 빛과 상호 작용하는 시간을 늘리는 장치이다. 실험에서는 금속 분사기를 사용하기도 하는데, 이는 전기를 가열하면 방출되는 순수한 금속(알칼리 금속) 막대이다.
1987년에는 자기광학 트랩(MOT)이 개발되어 초저온 원자 샘플을 만드는 중요한 단계가 되었다. 1997년 노벨 물리학상[6]은 레이저 빛으로 원자를 냉각하고 가두는 방법 개발에 대한 공로로 스티븐 추, 클로드 코헨-타누지, 윌리엄 D. 필립스에게 수여되었다.
증발 냉각 (원자 물리학)은 보스-아인슈타인 응축(BEC)을 발견하기 위한 실험에 사용되었다. 증발 냉각에서는 샘플에서 가장 뜨거운 원자가 빠져나가도록 하여 샘플의 평균 온도를 낮춘다. 2001년 노벨 물리학상[1]은 에릭 코넬, 볼프강 케테를레, 칼 와이먼에게 알칼리 원자의 희석된 기체에서 보스-아인슈타인 응축을 달성하고 응축의 특성에 대한 초기 기초 연구를 한 공로로 수여되었다.
최근에는 편광 구배 냉각, 회색 당밀 냉각, 라만 사이드밴드 냉각 등 다양한 서브 도플러 냉각 기술을 통해 단일 원자의 냉각 및 트래핑이 가능해졌다.[7][8][9] 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 초저온 중성 원자 실험에 흔히 사용되는 종이다.
2. 3. 서브 도플러 냉각 기술의 발전
레이저의 발명은 빛으로 원자를 조작하는 기술 개발을 촉진했다. 1975년, 도플러 효과를 이용하여 원자에 가해지는 복사력을 원자의 속도에 의존하게 하여 원자를 냉각시키는 도플러 냉각 기술이 처음 제안되었다. 갇힌 이온 샘플을 냉각시키는 유사한 아이디어도 제안되었다. 3차원에서 도플러 냉각을 적용하면 원자의 속도를 일반적으로 초당 몇 cm로 늦추는데, 이를 광학 당밀이라고 한다.[6]1987년 라브 등의 첫 번째 자기광학 트랩(MOT) 개발은 초저온 원자 샘플을 만드는 중요한 단계였다. MOT로 얻을 수 있는 일반적인 온도는 수십에서 수백 마이크로켈빈이다. 자기 광학 트랩은 자기장을 적용하여 공간에 원자를 가두어 레이저가 속도 의존적 힘뿐만 아니라 공간적으로 변화하는 힘을 제공하도록 한다.
최근 편광 구배 냉각, 회색 당밀 냉각, 라만 사이드밴드 냉각 등 다양한 서브 도플러 냉각 기술을 통해 광학 핀셋에서 단일 원자의 냉각 및 트래핑이 가능해졌다.[7][8][9]
3. 활용 분야
초저온 원자는 고유한 양자 특성과 훌륭한 실험 제어 능력 덕분에 다양한 분야에 활용된다.[10]
- 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션 플랫폼으로 제안되어 관련 실험 연구가 활발하게 진행 중이다.[10]
- 응집 물질 물리학에서 양자 시뮬레이션은 상호 작용하는 양자 시스템에 대한 통찰력을 제공한다. 초저온 원자는 응집 물질 시스템의 유사체를 구현하여 실험적으로 접근하기 어려운 양을 탐구하고, 자연에서 관찰할 수 없는 물질 상태를 생성하는 데 사용된다.
- 원자 앙상블은 시간 측정에 이상적이다. 1967년 초의 SI 정의는 세슘 원자의 초미세 구조 전이 주파수를 참조하도록 변경되었다. 원자 시계는 알칼리 토금속 원자나 알칼리 토금속 유사 이온을 기반으로 개발되었으며, 정밀도를 위해 중성 원자를 광학 격자에 가두거나 이온 트랩을 사용한다.
- 낮은 열 잡음과 양자 역학을 활용하여 정밀 측정 실험에도 사용되며, 이는 물리학에 대한 이해를 시험하는 데 기여한다.
3. 1. 양자 컴퓨팅 및 양자 시뮬레이션
초저온 원자는 고유한 양자 특성과 이러한 시스템에서 가능한 훌륭한 실험 제어 능력으로 인해 다양한 응용 분야를 가지고 있다.[10] 예를 들어, 초저온 원자는 양자 계산 및 양자 시뮬레이션을 위한 플랫폼으로 제안되었으며,[10] 이러한 목표를 달성하기 위한 매우 활발한 실험 연구가 진행되고 있다.양자 시뮬레이션은 응집 물질 물리학의 맥락에서 매우 중요하며, 상호 작용하는 양자 시스템의 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있다. 초저온 원자는 관심 있는 응집 물질 시스템의 유사체를 구현하는 데 사용되며, 이를 통해 특정 구현에서 사용 가능한 도구를 사용하여 탐구할 수 있다. 이러한 도구는 실제 응집 물질 시스템에서 사용할 수 있는 도구와 크게 다를 수 있으므로, 실험적으로 접근할 수 없는 양을 탐구할 수 있다. 또한 초저온 원자는 자연에서 관찰할 수 없는 이국적인 물질 상태를 생성할 수도 있다.
3. 2. 정밀 측정 및 원자 시계
초저온 원자는 고유한 양자 특성과 이러한 시스템에서 가능한 훌륭한 실험 제어 능력으로 인해 다양한 응용 분야를 가지고 있다.[10] 모든 원자는 동일하므로, 원자 앙상블은 보편적인 시간 측정에 이상적이다. 1967년, 초의 SI 정의는 세슘 원자의 초미세 구조 전이 주파수를 참조하도록 변경되었다. 원자 시계는 알칼리 토금속 원자 또는 알칼리 토금속 유사 이온(예: Al+)을 기반으로 하며, 좁은 선 광학 전이를 활용하여 개발되었다. 이러한 시계의 정밀도를 돕는 많은 수의 비상호 작용 원자를 얻기 위해, 중성 원자는 광학 격자에 가둘 수 있다. 반면에 이온 트랩은 긴 탐사 시간을 허용한다.초저온 원자는 또한 낮은 열 잡음과 경우에 따라 표준 양자 한계를 초과하기 위해 양자 역학을 활용하여 정밀 측정을 위한 실험에도 사용된다. 잠재적인 기술적 응용 분야 외에도, 이러한 정밀 측정은 현재 물리학에 대한 이해를 시험하는 데 기여할 수 있다.
3. 3. 기초 과학 연구
초저온 원자는 고유한 양자 특성과 이러한 시스템에서 가능한 훌륭한 실험 제어 능력으로 인해 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어, 초저온 원자는 양자 계산 및 양자 시뮬레이션을 위한 플랫폼으로 제안되었으며,[10] 이러한 목표를 달성하기 위한 매우 활발한 실험 연구가 진행되고 있다.양자 시뮬레이션은 응집 물질 물리학의 맥락에서 매우 중요하며, 상호 작용하는 양자 시스템의 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있다. 초저온 원자는 관심 있는 응집 물질 시스템의 유사체를 구현하는 데 사용되며, 이를 통해 특정 구현에서 사용 가능한 도구를 사용하여 탐구할 수 있다. 이러한 도구는 실제 응집 물질 시스템에서 사용할 수 있는 도구와 크게 다를 수 있으므로, 실험적으로 접근할 수 없는 양을 탐구할 수 있다. 또한 초저온 원자는 자연에서 관찰할 수 없는 이국적인 물질 상태를 생성할 수도 있다.
모든 원자는 동일하므로, 원자 앙상블은 보편적인 시간 측정에 이상적이다. 1967년, 초의 SI 정의는 세슘 원자의 초미세 구조 전이 주파수를 참조하도록 변경되었다. 원자 시계는 알칼리 토금속 원자 또는 알칼리 토금속 유사 이온(예: Al+)을 기반으로 하며, 좁은 선 광학 전이를 활용하여 개발되었다. 이러한 시계의 정밀도를 돕는 많은 수의 비상호 작용 원자를 얻기 위해, 중성 원자는 광학 격자에 가둘 수 있다. 반면에 이온 트랩은 긴 탐사 시간을 허용한다.
초저온 원자는 또한 낮은 열 잡음과 경우에 따라 표준 양자 한계를 초과하기 위해 양자 역학을 활용하여 정밀 측정을 위한 실험에도 사용된다. 잠재적인 기술적 응용 분야 외에도, 이러한 정밀 측정은 현재 물리학에 대한 이해를 시험하는 데 기여할 수 있다.
참조
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웹사이트
The 2001 Nobel Prize in Physics - Popular Information
https://www.nobelpri[...]
2016-01-27
[2]
서적
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[3]
논문
Quantum simulations with ultracold quantum gases
[4]
논문
Fast universal two-qubit gate for neutral fermionic atoms in optical tweezers
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Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays
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https://www.nobelpri[...]
2016-01-27
[7]
논문
Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models
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A Novel Scheme for Efficient Cooling below the Photon Recoil Limit
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Beyond Optical Molasses: 3D Raman Sideband Cooling of Atomic Cesium to High Phase-Space Density
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서적
The BCS-BEC Crossover and the Unitary Fermi Gas
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Springer-Verlag Berlin Heidelberg
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World Scientific
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The 2001 Nobel Prize in Physics - Popular Information
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2016-01-27
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