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양자역학에 따르면 빛이 아닌 일반적인 물질도 파동의 성질을 나타낼 수 있다.물질의 파동성은 위치 등 물리적 상태가 하나로 정해지지 않은 '양자 중첩' 상태로 설명되며 주변 환경에 쉽게 영향을 받아 하나로 '붕괴'된다.

우리 주변 물건은 존재하는 위치가 하나로 고정돼 있고 파동의 특징인 간섭이나 회절 현상도 일어나지 않는다.전자나 원자 1개 수준으로 작은 규모에서는 물질이 파동성을 유지하기 수월하지만 물체의 크기가 커질수록 외부와의 상호작용도 많아져 파동성을 유지하기 어렵기 때문이다.

과학자들은 고전역학과 양자역학의 '경계'를 찾기 위해 물체의 크기와 복잡도를 높여 가며 물질이 파동성을 언제까지 유지할 수 있는지 확인하는 실험을 이어 왔다.

마르쿠스 아른트 오스트리아 비엔나대 물리학과 교수팀은 수천 개의 나트륨 원자를 뭉친 덩어리에서 간섭 현상을 확인하는 데 성공해 기록을 경신하고 연구결과를 21일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다.지름 약 8나노미터(㎚,호세 타라고나 카지노1㎚는 10억분의 1m)의 원자 덩어리는 대표적인 거대 분자인 단백질 대다수보다 무겁다.

1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 확률 개념으로 원리를 설명하는 양자역학을 비판하기 위해 사고 실험인 '상자 속 고양이'를 제시했다.만일 양자역학의 불확실성에 의존해 상자 속 고양이의 생사가 갈리도록 장치를 설계한다면 뚜껑을 열어 관찰하기 전까지 고양이는 산 것도 죽은 것도 아니라는 논리다.이후 과학자들은 실험을 통해 양자역학이 실제로 확률에 기반해 작동한다는 것을 확인했다.

연구팀은 극저온에서 나트륨 원자 약 7000개로 구성된 나노입자를 양자 상태로 만들어 133nm 거리를 두고 틈이 나 있는 격자를 통과시켰다.물질의 파동성이 유지되는 '고양이 상태'가 지속될 경우 좁은 틈새를 통과할 때 휘어져 퍼지는 회절이 일어난다.서로 다른 두 파동이 같은 벽에 부딪히면 진하거나 옅은 부분이 반복되는 '간섭 무늬'를 만든다.격자를 통과한 물질의 파동성이 유지됐는지 입증하는 증거인 셈이다.

실험 결과 각 나노입자는 파동처럼 행동하며 중첩 상태로 간섭 무늬를 그렸다.연구논문의 제1저자인 세바스티안 페달리노 비엔나대 박사과정생은 "이렇게 커다란 금속 덩어리에서도 간섭 현상이 관측된다는 사실은 양자역학이 이 정도 규모에서도 유효하며 대체로 설명할 모델이 필요하지 않다는 것을 보여준다"고 밝혔다.

연구팀이 수행한 실험은 파동성을 확인한 물질의 질량과 양자 상태의 지속시간 등을 종합한 지표인 '거시성(macroscopicity)' 지표가 종전 기록의 10배에 달했다.

양자 상태를 유지하는 물질의 최대 크기를 탐구하는 것은 양자 기술과 산업의 미래와도 맞닿아 있다.미래 전략기술인 양자컴퓨터는 궁극적으로 수백만 개의 물체를 양자 상태로 유지해야 한다.만일 일정 크기 이상의 물체에서 양자 상태를 유지할 수 없다는 한계가 확인되면 기술 구현에 근본적인 제약으로 작용할 수 있다는 뜻이다.

연구팀은 동일한 설비를 활용해 단백질 같은 유기물이나 바이러스에서도 파동성을 확인하는 실험을 추진할 예정이다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-025-09917-9
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