사이언스, 수수께지 입자 ‘마요라나 페르미온’ 발견

이번 주 ‘사이언스’ 표지는 ‘마요라나 페르미온(Majorana fermions)’ 입자를 검출한 전자장비의 모습이 장식했다.

마요라나 페르미온 입자는 75년 전 이탈리아의 천재 물리학자 에토레 마요라나가 양자 이론을 토대로 예측했던 입자다. 양자 이론에서 예측되는 다른 가상 입자들은 지난 10년 동안 거의 모두 실제로 발견됐지만 마요라마 페르미온과 힉스만 수수께끼로 남아 있다.

마요라마 페르미온 입자는 물질과 반물질의 경계에서 양쪽 성질을 모두 가진다고 알려져 있다. 어떤 입자가 자신의 반입자와 만나면 소멸되는데 이 입자는 스스로 자신의 반입자가 될 수 있기 때문에 스스로 사라질 수 있다는 것. 이 물질의 징후가 최근 네덜란드 델프트대 연구진이 개발한 특수 장치를 통해 처음으로 포착됐다.

레오 쿠벤호벡 델프트대 교수는 올해 4월 12일자 사이언스 온라인판에 마요라나 페르미온 입자의 발견에 대한 논문을 발표했고, 사이언스는 이번 호 표지로 당시 연구진이 사용한 나노와이어 장치를 선택해 출판했다. 쿠벤호벤 교수팀이 생각해 낸 나노와이어 장치는 마요라나 페르미온 한 쌍이 양끝에 나타나도록 만들었는데, 네덜란드 아인트호벤대에서 만든 초소형 나노와이어와 초전도성 물질, 그리고 강력한 자기장이 사용됐다.

연구진은 극도로 얇은 나노와이어의 길이 방향에 자기장이 걸리면, 내부 전자들이 특정한 종류의 에너지를 갖도록 만들었다. 이 장치에는 전자들이 보이는 특별한 틈을 만들어 마요라나 페르미온 입자를 동시에 격리시킬 수 있다. 이 장치에 전기를 흘리고 길이를 따라 전기가 통하는 정도를 각 부분에서 측정한 결과 마요라나 페르미온 입자의 징후가 나타났다. 쿠벤호벤 교수는 “나노와이어의 양 끝에서 입자의 측정치가 달랐는데, 이를 마요라나 페르미온 한 쌍의 존재 외에 다른 것으로는 설명될 수 없다”고 밝혔다.

이번 발견은 기초 물리학의 새로운 장을 열 뿐만 아니라 우주론에서 중요한 역할을 하며 양자 컴퓨터의 기본 구성요소가 될 수도 있다. 우주 공간의 대부분을 차지하는 암흑물질은 마요라나 페르미온 입자로 이뤄졌다는 가설이 있고, 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 강력할 것으로 예상되는 양자컴퓨터도 마요라나 페르미온 입자를 사용하면 훨씬 안정적으로 만들 수 있다는 기대가 있기 때문이다.

 

2012년 05월 28일

 

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