세계 최초 물리학자들이 빛으로 초고체 창조 World First: Physicists Create a Supersolid Out of Light

고체와 같은 결정 구조를 가지고 있지만,  유체처럼 흐를 수 있어

광자 결정의 폴라리톤 응축물에서의 초고체성. 

(Trypogeorgos et al., Nature , 2025)

 초고체는 고체와 액체의 특성을 결합한 이상한 양자 물질 상태 입니다.

이제 과학자들이 빛 자체를 초고체로 변형시키면서 그들은 더욱 더 마음을 뒤틀었습니다. 그것은 새로운 양자 및 광자 기술로 이어질 수 있는 획기적인 일입니다.

World First: Physicists Create a Supersolid Out of Light

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일상적인 고체, 액체, 기체, 플라스마를 넘어, 이국적인 물질 상태가 존재합니다. 오랫동안 이론화되었지만 최근에야 만들어진 초고체는 일반 고체와 같은 결정 구조를 가지고 있지만, 반직관적으로 유체처럼 자유롭게 흐를 수도 있습니다.

이탈리아 트렌토 대학의 원자 및 광학 물리학자 야코포 카루소토는 "우리는 초고체를 공간에 주기적으로 배열된 응집된 양자 물방울로 구성된 유체로 상상할 수 있습니다."라고 말합니다 .

카루소토는 물방울이 "장애물을 통과할 때 방해를 받지 않고 흐를 수 있으며, 결정질 고체에서처럼 공간적 배열과 상호 거리가 변하지 않는다"고 설명합니다 .

초고체는 이전에는 원자로만 만들어졌지만 이탈리아 국립 연구 위원회(CNR)의 과학자들이 이끄는 팀은 최초로 광자를 사용하여 초고체를 만들어냈습니다.

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가벼운 초고체 내의 ​​광자 밀도 지도. 변조는 물결선으로 표시되어 있습니다.(Trypogeorgos et al., Nature , 2025)

"반도체 나노구조에서 흐르는 빛의 유체에서 응집 물질의 이러한 이국적인 상태를 실현하면 새로운 제어된 방식으로 물리적 특성을 조사할 수 있으며, 아마도 새로운 발광 소자에 응용할 수 있는 고유한 특성을 활용할 수 있을 것입니다." 이탈리아 파비아 대학의 응집 물질 물리학자 다리오 게라체 의 말이다 .

여기서 정확히 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하는 것은 까다로울 수 있습니다. 과학자들은 공기 중에서 자유롭게 날아다니는 광자를 뽑아내어 이국적인 물질 상태로 유도한 것이 아닙니다. 빛은 물질이 아니라 에너지이기 때문입니다.

이를 실현하기 위해 연구자들은 광자를 물질에 결합해야 했습니다. 광자는 레이저에서 나왔고, 이 레이저는 방정식의 물질 부분을 제공하는 갈륨 비소 반도체에 빔으로 조사되었습니다. 광자는 물질 내의 여기와 상호 작용하여 폴라리톤 이라고 하는 준입자를 생성합니다 .

비슷한 설정이 과거에 빛을 초유체로 바꾸는 데 사용되었습니다 . 그것을 초고체로 만들려면 몇 가지 추가 단계가 필요합니다.

갈륨비소화물은 광자를 세 가지 다른 양자 상태로 조작하도록 설계된 특별한 구조를 가지고 있습니다.

처음에 광자는 운동량이 0인 상태로 정착하지만, 이 상태가 '채워지면서' 광자 쌍이 두 개의 인접한 상태로 흘러넘치기 시작합니다. 이로 인해 폴라리톤이 팀이 연속체에서 결합된 상태(BiC)라고 부르는 상태로 응축됩니다.

반도체 내에서 폴라리톤을 각 상태로 제한하는 것이 고체의 공간적 구조를 제공하는 반면, 마찰 없이 흐를 수 있는 자연스러운 능력은 초유체를 만듭니다. 두 가지의 속성을 합치면 전체 시스템이 초고체로 만들어야 합니다.

이것이 사실인지 확인하기 위해 팀은 몇 가지 징후를 확인해야 했습니다. 광자의 밀도를 매핑하면 중앙에 틈이 있는 두 개의 우뚝 솟은 봉우리가 드러납니다. 하지만 그 위에는 특정한 변조 패턴이 있는데, 이는 이동 대칭이 깨졌다는 것을 나타냅니다. 이는 초고체의 특징입니다.

초고체에서 광자의 밀도는 두 개의 피크를 형성합니다. (Trypogeorgos et al., Nature , 2025)

다음으로, 그들은 간섭계를 사용하여 시스템의 양자 상태를 측정하고, 그것이 각 상태 구성 요소에서 국소적으로, 그리고 전체 시스템에서 전역적으로 일관성이 있는지 확인했습니다. 그리고 확실히 그 깨지기 쉬운 질서는 함께 유지되어 초고체 생성에 대한 추가 증거를 추가했습니다.

연구팀은 이것이 물질의 이상한 상태를 만드는 완전히 새로운 방법을 보여준다고 밝혔다.

"이 연구는 광자 플랫폼에서 초고체 상을 관찰했을 뿐만 아니라 비평형 시스템에서 물질의 양자 상을 탐구하는 길을 열었습니다."라고 CNR 나노기술 연구소의 물리학자 다니엘레 산비토가 말했습니다 .

"이것은 특히 중요한데, 이 접근 방식은 기초 과학과 실제 응용 프로그램 간의 격차를 메울 수 있는 잠재력이 있기 때문입니다."

해당 연구는 네이처 저널 에 게재됐다 .

World First: Physicists Create a Supersolid Out of Light

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