세상에서 가장 이상한 트램폴린은 튀지 않고 좌우로 흔들리고 심지어 모퉁이를 따라 미끄러지듯 움직입니다. 하지만 높이가 1밀리미터도 안 되기 때문에 누구도 뛰어오를 수 없습니다.
물리학자들은 획기적인 포논 도파관 역할을 하는 나노 규모의 트램폴린과 유사한 장치를 개발했습니다.
폭이 0.2mm에 불과하고 표면은 지금까지 본 것보다 얇고 두께는 약 2천만분의 1mm에 불과한 아주 작은 트램펄린을 상상해 보세요. 균일한 간격의 둥근 삼각형 구멍으로 채워져 있어 독특한 천공 디자인을 제공합니다. 섬세한 외관에도 불구하고 이 트램폴린은 거의 멈출 수 없습니다. 한번 움직이기 시작하면 추진력을 거의 잃지 않고 오랫동안 계속 흔들릴 수 있습니다.
하지만 일반 트램폴린처럼 그냥 위아래로 튀는 것이 아닙니다. 표면의 다양한 영역이 측면을 포함하여 다양한 방향으로 움직입니다. 중앙에는 "트램폴린 안의 트램펄린"도 있는데, 이 작은 공간에서는 액션이 훨씬 더 열광적입니다. 여기에서 모션은 정확한 삼각형 경로를 따르므로 진동이 완벽하게 모서리를 둥글게 만들 수 있습니다. 이는 물리학에서는 드문 현상입니다.
그렇다면 누구도 뛰어넘을 수 없다면 트램폴린을 디자인하는 것이 무슨 의미가 있을까요? 물론 이 구조는 인간을 위해 설계된 것이 아닙니다. 트램펄린 뒤에 있는 사람들(콘스탄츠 대학, 코펜하겐 대학, 취리히 공과대학의 물리학자들)은 이를 사용하여 포논 전달의 새로운 방법을 시연하기를 희망합니다.
"트램폴린"은 실제로 질화규소로 만들어진 진동하는 초박막인 포논용 도파관입니다. 포논은 고체 결정 격자 진동의 기반이 되는 기본 여기 상태인 "소리 양자"라고 할 수 있습니다. 물리학자들은 트램펄린을 사용하여 수학적 위상학적 원리에 기초한 독특한 표면 구조를 통해 운동량의 손실을 거의 주지 않고 포논이 어떻게 "모서리 주위"로 안내될 수 있는지 보여주기를 희망합니다. 이는 신호가 가장자리와 곡선 주위로 라우팅되어야 하는 마이크로칩 회로와 같은 회로에서 중요합니다.
결과는 인상적입니다. 트램펄린을 사용하면 포논이 거의 운동량 손실 없이 120도의 급격한 회전을 할 수도 있습니다. 휘어지지 않고 "튀는" 포논의 수는 10,000개 중 1개 미만입니다. Konstanz의 물리학자인 Oded Zilberberg는 "이러한 초저손실은 현대 통신 장비와 비교할 수 있습니다."라고 말했습니다.
Zilberberg는 표면 구조와 그 응용에서 이러한 위상학적 효과를 연구하는 데 관심이 있습니다. 그는 이 접근 방식을 사용하면 포논을 위한 완전한 "도로"를 구축하는 것이 가능할 수 있다고 믿습니다. Zilberberg는 트램폴린의 정확한 구조를 설계했습니다. 코펜하겐 대학교와 취리히 공과대학의 동료들은 이 아이디어를 실행에 옮겼습니다. 연구팀의 연구 결과는 최근 네이처(Nature) 저널에 게재됐다.
하지만 사람들이 뛰어놀 수 있는 트램펄린을 만드는 것이 가능할까요? “실제로 그런 생각도 했어요.” 질버버그가 웃으며 말했다. "그것은 확실히 흥미로운 실험이 될 것입니다. 나는 이 원리가 더 큰 규모의 물체에도 적용될 것이라고 생각합니다." 하지만 누구도 헬멧 없이 "실물 크기" 트램폴린을 시도해서는 안 됩니다.
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