빛 빔에서 스키르미온 모델 구현, 60년 전 이론 입자 검증

버밍엄 대학교 과학자들이 빛 빔 속에서 찾기 힘든 기본 입자인 스키르미온(skyrmion)의 실험적 모델을 만드는 데 성공했다. 이 돌파구는 물리학자들에게 60년 전 버밍엄 대학교 수리물리학자 토니 스키르메(Tony Skyrme) 교수가 처음 제안한 스키르미온의 행동을 보여주는 실제 시스템을 제공한다.

스키르메의 아이디어는 4차원 공간의 구 구조를 이용해 3차원에서 스키르미온 입자의 불가분성을 보장하는 것이었다. 3차원 입자 같은 스키르미온은 우주의 초기 기원이나 이국적 물질, 차가운 원자의 물리를 알려줄 것으로 이론화되어 있다. 그러나 50년 넘게 연구되었음에도 3차원 스키르미온은 실험에서 거의 관측되지 않았다. 현재 스키르미온 연구는 주로 2차원 유사체에 집중되어 있으며, 이는 신기술에 유망하다.

새 연구에서 버밍엄, 랭커스터, 뮌스터(독일), 이화학연구소(일본) 연구진으로 구성된 국제 협력팀은 스키르미온을 3차원에서 측정하는 방법을 최초로 시연했다. 연구를 이끈 마크 데니스(Mark Dennis) 교수는 “스키르미온은 수십 년간 물리학자들을 매혹시키고 도전해 왔다. 2차원 스키르미온 연구에서 좋은 진전을 이루고 있지만 우리는 3차원 세계에 산다. 스키르미온을 가능한 모든 상태로 모델링하고 측정할 수 있는 시스템이 필요하다. 빛 빔의 특성을 정밀하게 제어할 수 있기에 이를 플랫폼으로 삼아 스키르미온을 모델링할 수 있음을 깨달았다. 이 접근법으로 우리는 이 객체들을 진정으로 이해하고 과학적 잠재력을 실현할 수 있게 되었다.”라고 말했다.

모델을 만들기 위해 버밍엄 대학교 물리천문학과의 다니카 슈기치(Dr. Danica Sugic)와 데니스 교수는 빛의 표준 설명인 편광(빛 파동이 진행하는 방향)과 위상(빛 파동 진동의 위치)을 스키르메의 원래 비전에 핵심적인 4차원 공간의 구 형태로 표현했다. 이로써 스키르미온 필드를 설계해 뮌스터 대학교 코넬리아 덴츠(Professor Cornelia Denz) 교수 주도 실험에서 레이저 빔에 구현할 수 있었다. 팀은 최첨단 측정을 사용해 스키르미온의 정확한 구조를 결정했다.

“이 객체들은 기하학적 관점에서 볼 때 매우 복잡하다”라고 슈기치 박사는 말했다. “서로 맞물린 고리들의 복잡한 시스템과 유사하며, 전체가 입자 같은 구조를 이룬다. 특히 흥미로운 것은 스키르미온의 위상적 특성인데, 왜곡되거나 늘어나거나 압축되어도 분리되지 않는다. 이 강건함은 과학자들이 가장 활용하고 싶어하는 특성 중 하나다.”