리드버그(리드베리) 원자

양자 컴퓨터를 만들려면 먼저 Qbit의 상태를 만들 수 있어야 한다. 자주 얘기했듯이 Q=a0>+b1>의 중첩된 상태를 Qbit라고 얘기한다. 그 상태를 만들려면 먼저 어떠한 물리적 실체를 0>과 1>이라는 2개의 양자 상태로 만들 수 있는 방법이 있어야 한다. 보통은 전자의 스핀, 광자의 polarity, 원자나 이온의 에너지 레벨로 조정할 수 있다. 광자는 멈출 수가 없기에 사실 양자 컴퓨터로 사용하기에 어려움이 있다. 그 반면 원자나 이온의 경우 정밀하게 control하는 경우 멈출 수 있다.

 

우주에 입자가 하나만 존재한다고 가정하자. 이 경우에 온도의 의미는 있을 것인가? 이 질문에 대해서 대답을 하려면 먼저, 온도가 무엇인지에 대해서, 물리학 분야에서 정의하는 온도를 먼저 이해해야 한다. 입자하나의 온도는 사실 의미가 없다. 그러나, 1/2kT=E라는 공식에 따라, 입자 하나의 운동에너지에 대응하는 환산 온도라는 개념으로 온도를 얘기할 수는 있다. 만약, 입자 하나가 관측자의 관성 운동계에서 멈춰있다면 온도는 0일 것이다. 원자 하나를 멈추게 하는 것이 가능할까?

 

원자가 운동하는 반대 방향으로 광자를 쏘면 어떻게 될까? 광자의 질량은 0인데, 과연 원자는 움직일 것인가? 광자는 질량은 0이지만 에너지와 운동량을 가지기에 (E=pc), 광자의 운동량이 원자에 전달되어 원자의 움직을 느리게 만들 수 있다. 광자를 거울에 때려서 그 반동력으로 우주선을 움직인다는 광자로켓의 개념도 등장했다. 그러나 광자 몇 개를 때려야 거대한 로켓이 움직이겠는가.. 당연히 현재에는 실용성 0의 아이디어이다.

 

그런데, 원자가 워낙 빨리 움직이는데 어느 방향으로 쏘아야할지 어떻게 알 수 있을까, 쉽지 않다. 그러나 만약 원자의 양 방향에서 동일한 주파수의 빛을 쏜다면 어떻게 될까? 그러면 원자의 진행 방향으로는 도플러 효과에 의해서 높은 주파수, 즉 에너지와 운동량이 높은 광자로 느껴지고, 반대 방향으로는 운동량이 낮은 광자로 느껴질 것이기에 결과적으로는 우리가 방향을 control 하지 않아도 알아서 원자의 속력은 감소한다. 도플러 냉각이 발생하는 것이다. 이제 x,y,z 세 축에 대해서 양방향으로 레이저를 발사하면 원자의 온도는 차츰차츰 내려가게 되는 것이 레이저 냉각의 원리이다.

 

1997년 노벨상은 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji 그리고 William D.Phillips라는 세 과학자에게 주어진다. 그들은 보존 응축에 필요한 기본 기술, laser cooling 방식을 완성 시킨 공로로, 사실 물리학적인 큰 발견이 아니라, 큰 발견을 위한 기초 기술을 개발한 공로로 노벨물리학상을 받는다.

 

2001년 에릭 코넬, 칼 와이먼은 레이저 냉각 기술을 이용하여 루비듐 원자를 170nK (0.000000017도) 까지 냉각시켜서 기저 상태에 수많은 입자들이 공존하는 Bose Einstein 응축 효과를 이론이 예측한지 80여년만에 증명하고, 그 공로로 2001년 노벨 물리학상을 수상한다 (같은 시기에 볼프강 케테를레도 나프륨-23 원자를 냉각시켜 동일한 결과를 얻어서 공동 수상한다). 우리가 알고 있는 양자역학의 대부분이 1930년 전에 이미 거의 이론적으로 정립되어 있었다는 사실이 때로는 놀랍다. 분명 20세기 초는 수많은 천재들의 시대, 과학적 혁명의 시대였음이 틀림없다.

 

수소나 헬륨이 n=1인 주양수를 가짐에 반해, 리드버그(Rydberg) 원자는 n이 큰 원자를 말한다. 보어 원자 모형에 따른 r=(4(pi)(epsilon)(hbar^2)/(me^2))n^2의 형태로 주어지기에 n=100이면 거의 1um에 달하는 큰 원자이다. 전자궤도가 핵에서 상당히 떨어져 있기에 중성 원자이지만 강력한 dipole moment를 가지며, 이를 통해서 주변 원자들과 강한 상호 작용이 가능하다. 즉, 중성 원자이지만 마치 이온을 띤 원자처럼 다룰 수가 있다는 것이다.

 

레이저 냉각 기술이 나오기 전에는 이온을 띤 입자를 전자기력으로 제어할 수 있는 것과 달리, 중성 원자의 경우 제어가 쉽지 않았다. 그러나, 강력한 레이저 냉각기술의 등장과 함께 최근, 리드버거 원자나 분자를 이용한 여러 응용 연구들이 활발하다. 그 중 하나의 분야가 양자 컴퓨터 분야이다. 레이저를 교차 배치하여 2차원 혹은 3차원의 광학적 격자 구조를 만들고 여기에 원자들을 배치할 수 있는, 즉 인위적인 분자구조를 만드는 것이 가능해졌다.

이렇게 trap 된 원자에 적절한 주파수의 광자를 발사하여 전자를 상당히 높은 n까지 여기시키면 Rydberg 원자를 만든 것이다. 사실 Rydberg (1854-1919)는 19세기 물리학자로 발머가 최초로 발견한 수소 선 스펙터럼의 연구를 확장하여 리드베리(리드버거) 상수라는 값을 고안한 물리학자로 유명하다. 아래에서 n=1이면 라이먼계열 (1906), 2이면 발머계열(1885), 3이면 파센계열(190-8) 등으로 불리며 이 모두에서 R이 리드베리 상수이다. 100여년이 지난 오늘날 레이저 냉각 기술의 완성과 더불어 리드버그원자를 이용한 많은 응용 연구들이 활발하다.