2025 노벨 물리학상, 거대 세계에도 적용된 양자역학 이야기

핵심 요약

양자역학의 기묘한 원리인 '양자 터널링'이 아주 작은 세계만의 법칙이 아니며, 일상적인 크기에서도 실제로 일어남을 입증한 연구가 2025년 노벨 물리학상을 받았습니다. 이 발견은 초전도체를 활용해 거대한 양자 효과를 실험으로 보여주었고, 현대 양자컴퓨터의 기반이 되었습니다.

양자역학의 핵심: 입자는 위치가 확정적이지 않다

우리 눈엔 모든 게 명확한 모양을 가지고 있지만, 양자역학에서는 입자들이 파동처럼 행동합니다. 위치도 하나로 정해지지 않고, 어디에 있을지 '확률'로만 예측할 수 있어요. 이 파동의 끝은 완전히 사라지지 않아서, 입자가 상상할 수 없는 곳에서도 "짠!" 하고 나타날 수 있습니다.

양자 터널링: 벽을 무시하는 입자

공을 벽에 던지면 튕겨 나오지만, 전자같이 작은 입자는 가끔 벽을 '통과'해서 반대편에 나타나기도 합니다. 이를 양자 터널링이라고 합니다. 이 현상은 컴퓨터 칩처럼 매우 작은 세계에선 실제로 문제가 될 만큼 자주 일어납니다.

초전도체와 조셉슨 접합의 실험

일반적인 금속에선 전자들이 서로 미끄러지고 흩어져, 저항이 생깁니다. 하지만 초전도체에서는 전자 두 개가 '쿠퍼 페어'라는 쌍으로 묶여 저항 없이 이동해요. 두 초전도체 사이에 아주 얇은 절연층(조셉슨 접합)을 놓으면, 쿠퍼 페어 전체 집단의 거대한 파동이 벽을 터널링할 수 있는지 실험할 수 있습니다.

거대 양자 터널링의 증거 찾기

연구팀은 극한의 저온과 복잡한 장치를 동원해 실험을 진행했습니다. 만약 전체 쿠퍼 페어의 집단 파동이 터널링에 성공하면, 전압이 갑자기 튀는 현상이 나타납니다. 실험 결과, 이런 현상이 확실히 관찰되었고, 이는 수십억 개의 전자가 한꺼번에 양자 효과로 벽을 통과했다는 의미로 받아들여졌습니다.

양자 효과와 고전적 설명의 차이

온도를 높이면, 열에너지가 파동을 흔들어 벽을 넘게 만들기도 합니다(고전적 현상). 하지만 온도를 극도로 낮추면, 오직 양자 터널링만 남습니다. 실험 결과 초저온에서는 온도와 전압 변화가 더 이상 관계가 없어졌고, 이는 거대 집단 자체가 순수 '양자 터널링'을 보였다는 강력한 증거가 되었습니다.

양자역학은 이제 우리 일상에도

이 연구는 양자역학이 극도로 작은 것에만 적용된다는 오랜 생각을 깨뜨렸습니다. 수많은 입자가 '하나의 거대한 양자 파동'으로 움직여, 현실적인 크기에서도 양자 현상이 일어난다는 걸 실험적으로 증명했습니다. 현대 양자컴퓨터의 핵심 부품들도 바로 이 효과를 활용해서 만들고 있습니다.

인사이트

양자역학적 현상은 일상에서 볼 수 없어서 상상하기 어렵지만, 실제로 큰 규모에서도 존재하며 우리 삶에 큰 영향을 미치고 있습니다. 새롭고 낯선 현상도 꾸준히 실험을 통해 밝혀지고, 이는 미래의 첨단 기술(예: 양자컴퓨터)을 만드는 기반이 됩니다. 호기심을 가지고 기초과학에 접근하면, 언젠가 세상을 바꾸는 지식이 된다는 걸 기억하세요!

출처 및 참고 :