원자와 분자가 공간적 주기성을 갖고 배열된 물질은 결정으로 여기에서 주기성을 시간 방향으로 확장한 특이한 물질이 바로 시간결정(Time crystal)이다. 시간 결정은 2016년 세계에서 처음으로 생산에 성공했지만 이번에는 처음으로 진동 모습을 영상으로 포착하는데 성공했다.
시간 결정은 공간 방향 뿐 아니라 시간 방향으로 주기성을 가진 물질로 메사추세츠공대 물리학자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 제창한 것이다. 입자의 규체적 배열 3차원 공간 뿐 아니라 시간 방향으로도 확산되고 있기 때문에 4차원 결정 구조를 갖고 있다는 게 시간 결정의 특징이며 이런 특이한 구조는 실현 불가능하다고 말한다.
하지만 2016년 10월 메릴랜드대학 크리스 먼로 교수 연구팀은 세계에서 처음으로 시간 결정을 만드는데 성공했다. 시간 결정을 만들기 위한 기본 공정은 상당히 단순하고 이온 그룹과 같은 양자계 링 모양으로 만들고 에너지 상태가 가장 낮아질 때까지 냉각한다. 그러자 물리 법칙으로 링이 완전히 정지되면서 시간 결정이 생성된다고 한다.
이런 시간 결정 진동 모습을 세계에서 처음으로 영상에 기록한 것. 연구팀은 주사형 투과 X선 현미경을 이용해 준입자 매그논(magnon)을 이용해 생성된 시간 결정 진동을 실시간으로 촬영하는데 성공했다. 이 영상은 최대 400억 초당 프레임으로 촬영한 것이다.
시간 결정 진동 모습을 촬영하는데 성공한 연구팀은 이번 발표로 시간 결정이 지금까지 생각해온 것보다 훨씬 강력하고 널리 존재하고 있음을 보여줄 수 있게 됐다면서 이번 촬영이 많은 가능성을 지닌 응용으로 이어질 수 있다고 밝히고 있다.
많은 과학자들은 준입자 매그논과 보스-아인슈타인 응축을 이용해 시간 결정을 생성한다. 하지만 연구팀은 무선 주파수를 이용해 인류를 보낼 수 있는 퍼멀로이(permalloy)를 이용한 다른 접근 방식을 취하고 있다. 퍼멀로이에 전류를 흘리면 진동 자기장이 생성되어 자기 파도가 발생한다. 이 자기 파도가 퍼멀로이 매그논을 자극하고 이동한 매그논은 주기적 패턴에 응용, 시간 결정이 된다.
시간 결정은 이론상 가능하면 낮은 에너지 상태로 진동하기 때문에 장기간 안정적으로 일관성이 높아야 한다. 연구팀이 제안한 매그논을 이용한 시간 결정 생성 방법은 시간 결정을 쉽게 조작할 수 있으며 생성도 간단하기 때문에 전례 없는 시간 결정에 대한 실용적 응용에 열쇠가 될 수 있다는 것이다. 시간 결정의 구체적은 응용 방향성으로는 통신 레이더 이미징 기술 등을 들 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.