세계 최초로 '시간결정'의 생성에 성공

By Clint Budd. https://www.flickr.com/photos/58827557@N06/

'결정'은 원자와 분자가 공간적으로 반복되는 패턴을 가지고 배열된 물질을 말합니다만, 이 반복패턴을 시간방향으로도 확장한 '시간결정'의 작성이 세계 최초로 성공했습니다.

Physicists Create World 's First Time Crystal
https://www.technologyreview.com/s/602541/physicists-create-worlds-first-time-crystal/

Physicists Create World’s First Time Crystal

'시간결정'이라는 개념이 태어난 것은 2012년의 일로, 매사추세츠 공과대학의 물리학자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek
) 씨가 제창했습니다. 시간결정 입자의 규칙적인 배열은 3차원 공간뿐만 아니라 시간방향으로도 확산한다는 사차원의 결정구조를 말합니다. 제창한 당시 윌첵 씨는 시간결정의 구체적인 생성방법에 대해서는 언급하지 않았습니다만, 이후 미국의 로렌스 버클리 국립연구소가 생성방법을 제기했습니다.

「四次元の時空間結晶、実際に作れる」バークレー研究所が作製方法を提起 | SJN News　再生可能エネルギー最新情報
http://sustainablejapan.net/?p=2526

「四次元の時空間結晶、実際に作れる」バークレー研究所が作製方法を提起 | SJN News　再生可能

[3D 공간에서의 결정화는 물질의 분자계에서 열을 제거하고 낮은 에너지 상태로 할 때 일어나는 연속적인 공간대칭성의 파괴를 의미한다. 물질 중의 모든 방향에 대해 대칭이었던 구조가 저온에 놓이며 파괴되어 이산적 대칭성(특정 방향으로만 대칭이 되는 것)이 나타나는 현상이 결정화이라고 설명할 수 있다. 시공간결정은 이 이산적 대칭성을 시간방향으로 확장한 구조이며, 결정에서 볼 수 있는 일정한 패턴이 공간뿐만 아니라 시간적으로도 주기성을 가지고 나타나게 된다.

예를 들면, 마찰이 제로인 상태에서 영원히 원운동을 계속하는 입자는 시간방향으로 결정화하고 있다고 볼 수 있다. 버클리 연구소팀이 제기하고 있는 시공간결정은 극저온에서의 전계이온트랩과 입자 간의 쿨롱 척력을 이용하여 트랩된 이온이 영구적으로 회전운동을 하고, 그 구조가 시간상에서 주기적으로 재현된다. 이러한 시공간결정은 양자에너지 상태가 최소한으로 되어 있기 때문에 시간적인 질서가 영구적으로 유지되어, 이론적으로는 우주의 다른 부분이 엔트로피 증대에 의한 열평형상태(열죽음)에 도달한 후에도 결정이 지속될 것으로 간주한다.]

CRYSTALS OF TIME. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:CRYSTALS_OF_TIME_-_CRISTALLI_DI_TEMPO.jpg

그러나 그 후 시간결정은 실현불가능하다는 것을 수학적으로 증명한 논문을 캘리포니아대학 버클리교의 와타나베 하루키 대학원생과 도쿄대학의 오시카와 마사타케 교수가 발표했고, 시간결정은 존재하지 않는 것으로 생각되었습니다.

「時間結晶」が不可能であることの証明～ノーベル賞物理学者の新理論を明確に否定～
http://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/release20150622.pdf

「時間結晶」が実現できないことが数学的に証明される | サイエンス - 財経新聞
http://www.zaikei.co.jp/article/20150623/255682.html

「時間結晶」が実現できないことが数学的に証明される | 財経新聞

[이번 연구에서는 통계역학에 의해 도출되는 안정한 물질의 상태(평형 상태)에서 거시적인 물리량의 시간상관함수를 평가하고 엄격한 부등식을 이용하여 이것이 시간적으로 진동하는 것을 아니라는 것을 수학으로 증명했다. 이것은 통계역학을 준수하는 한, '시간결정'은 실제로 존재하지 않는다는 것을 의미하고 있다.]

그러던 중 2016년 10월 4일에 메릴랜드대학의 크리스 먼로 교수가 이끄는 연구팀이 세계 최초로 시간결정을 만드는 데 성공했습니다. 시간결정을 만들기 위한 기본공정은 매우 단순한데, 이온그룹과 같은 양자계를 링모양으로 만들고 에너지 상태가 가장 낮아질 때까지 냉각하는 방식입니다. 그러자 물리법칙적으로 링이 완전히 정지한 것이 됩니다.

연구팀은 시간결정의 용도로 '강력한 양자메모리를 실현하기 위한 양자정보 테스크' 등을 거론합니다. 그러나 아직도 이해가 진행되지 않는 특성 등 많은 성질을 신중하게 검토해가지 않는다면 정말 시간결정이 존재하는 것인지 밝혔다고 할 수 없다고 말합니다.