스웨덴 웁살라대학교 연구팀이 최근 새로운 시간 측정 방법을 제안했다. 가장 큰 특징은 전통적 의미의 '0시점'인 이벤트가 시작되는 순간을 실험에서 미리 알 필요가 없다는 점이다. 이 방법은 강하게 들뜬 상태에 있는 헬륨 원자의 양자 진화 거동에 의존합니다. 짧은 펄스광을 조사한 후 시간에 따라 변화하는 특징적인 '지문'을 분석함으로써 경과한 시간을 직접 읽을 수 있어 시작 순간을 정확하게 판단할 수 없는 초고속 물리화학적 공정에 대한 새로운 시간 척도 도구를 제공합니다.
이 연구에서 연구자들은 먼저 짧은 빛 펄스를 사용하여 헬륨 원자를 소위 리드베리 상태(Rydberg state) 세트로 여기시키고 원자를 여러 리드베리 상태가 중첩되는 양자 "중첩 상태"에 놓았습니다. 리드베리 상태(Rydberg state)는 매우 높은 에너지와 핵에서 멀리 떨어진 전자를 갖는 일종의 원자 여기 상태입니다. 환경에 매우 민감합니다. 양자 중첩은 원자가 동시에 여러 양자 상태에 존재하고 시간이 지남에 따라 전체적인 진화가 복잡한 파동 패킷 구조를 형성한다는 것을 의미합니다. 전통적인 방법은 여기되는 순간부터 시간을 정확하게 측정하는 것이지만, 본 연구의 출발점은 일정 시간이 지난 후 두 번째 광 펄스를 적용하여 헬륨 원자가 이온화, 즉 전자를 잃고 하전된 이온이 될 확률을 측정한 다음, 이러한 측정 결과를 이론 모델과 비교하여 리드베리 상태가 형성된 이후 경과한 시간을 추론하는 것입니다.
연구팀의 리더인 Johan Söderström은 이 과정을 "줄자를 읽는 것"에 생생하게 비유했습니다. 누군가가 0점에서 거리를 측정하기 시작하는 것을 볼 필요가 없습니다. 현재 수치만 보면 출발점과의 거리 차이가 5cm인지, 4000m인지 알 수 있다. 이 방법에서 헬륨 원자의 리드버그 상태 중첩은 시간이 지남에 따라 진화하여 관측 가능 항목에 고유한 변화 패턴(소위 시간 "지문")을 남기며 이는 관측 공간에서 양자 파동 패킷의 진화를 투영하는 것과 동일합니다. 이 지문을 분석하고 이론적인 계산과 일치시킴으로써 연구자들은 제한된 시간 창 내에서 관찰하는 것만으로 파동 패킷의 생성부터 관찰 순간까지의 구체적인 "시간 거리"를 직접 읽을 수 있습니다.
논문에서는 이 양자 지문 자체에도 '자체 확인' 기능이 있다고 지적합니다. 시간이 지남에 따라 진화하는 파동 패킷의 세부 구조는 해당 시간 척도에 대한 내부 일관성 확인을 제공하여 측정 결과의 신뢰성을 향상시킵니다. 구체적인 실험 측면에서 팀은 이론적 시뮬레이션과 시간 분해 광전자 분광학 기술, 즉 정밀하게 제어된 시간 간격으로 두 개의 광 펄스 빔을 사용하는 기술을 결합했습니다. 하나의 빔은 헬륨 원자를 자극하여 Rydberg 상태 파동 패킷을 형성하는 데 사용되고, 다른 빔은 전자를 녹아웃시키고 시간에 따른 광전자 신호의 변화를 기록하는 데 사용됩니다. 실험 결과는 이론적 예측과 매우 일치하여 이 방법이 시간 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 헬륨 원자의 리드베리 상태의 '양자 결함'과 같은 미묘한 에너지 차이를 추론할 수 있어 원자 구조에 대한 이해를 심화하는 데 도움이 됩니다.
연구자들은 다시 줄자 비유를 사용했습니다. 짧은 거리를 기록할 때는 줄자 눈금의 작은 부분만 읽어야 하고, 장거리를 측정하려면 더 긴 눈금 범위가 필요합니다. 시간 측정에 따라 이벤트가 "알 수 없는 시작점"에 매우 가까운 경우 더 짧은 시간 간격으로 지문을 관찰하는 것만으로도 시간을 복원할 수 있습니다. 시작점에서 더 멀리 떨어진 진화의 경우 올바른 시간 척도가 일치하는지 확인하기 위해 더 긴 시간 범위의 지문을 기록해야 합니다. 따라서 이 방법은 정적인 단일 측정 프로세스가 아니라 측정 시간 길이에 따라 필요한 데이터 양을 동적으로 조정하여 다양한 시간 규모의 실험을 위한 유연한 양자 타이밍 솔루션을 제공합니다.
이 연구를 위한 대부분의 실험 작업은 코로나바이러스 대유행 기간과 웁살라 대학의 일부 시설이 일시적으로 폐쇄되는 상황에서 Ångström 연구소의 HELIOS 시설에서 수행되었다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 상대적으로 폐쇄적인 환경에서 팀은 실험 시간을 활용하여 시간 지문 방법을 반복적으로 검증하고 최적화하는 데 집중할 수 있었습니다. 연구진은 처음에 이 방법이 실현 가능하다는 것을 입증한 후, 앞으로 이 방법이 분자 해리 과정과 Rydberg 상태에 미치는 영향을 연구하고 보다 복잡한 물리적 시스템에서 이 기술의 보편적 적용 가능성을 평가하는 등 분자 시스템으로 확장될 것으로 예상한다고 제안했습니다.
이 새로운 접근 방식은 개념적으로 절대적인 시간 척도를 제공할 수 있지만 일상 생활에서 사용되는 전통적인 시계를 대체하도록 설계되지는 않았습니다. 연구팀은 매우 짧은 시간 분해능으로 빠른 공정 진행을 관찰해야 하는 시나리오에 대한 펌프-프로브 분광학 실험의 특수 도구로 더 적합하다는 점을 분명히 했습니다. 이러한 실험에서 첫 번째 펄스는 프로세스를 트리거하고 두 번째 펄스는 "시간 스냅샷"을 찍는 역할을 합니다. 그러나 시작 순간은 종종 정확하게 정의하기 어렵거나 심지어 직접 관찰하기도 어렵습니다. 이 양자 지문 방법 세트는 "시간 영점"을 먼저 결정하지 않고도 이러한 빠른 프로세스에 대한 절대 시간 척도를 제공할 것으로 예상됩니다.
더 넓은 관점에서 볼 때, 이 연구는 "시작점 정보 없음" 조건에서 시간을 측정하기 위한 새로운 아이디어를 제공합니다. 즉, 전통적인 계산 메커니즘을 사용하는 대신 시간 정보를 인코딩하고 디코딩하기 위해 양자 상태 자체의 진화에 전적으로 의존합니다. 연구진은 이 방법이 모든 유형의 시간 측정에 적합하지는 않지만 기존 기술로 시작 순간을 정확하게 고정하기 어려운 실험 분야나 원자 및 분자 내부의 초고속 프로세스를 연구할 때 고유한 이점을 갖는 매우 정확하고 보완적인 도구가 될 수 있다고 지적합니다. 관련 결과는 학술지에 게재돼 웁살라대학교, 미국물리학회 등 기관의 주목을 받았다. 이는 양자시간 측정 연구 경로에서 중요한 탐구로 여겨진다.