아이디어는 마법처럼 순수하고 단순하게 들립니다. 당신은 물질을 사라지거나 소유하지 말아야 할 특성을 주거나 다른 물질의 완벽한 모방으로 바꿀 수있는 광선을 만듭니다. 21 세기 연금술은 원칙적으로 금과 유사 할뿐만 아니라 일반 재료를 초전도체로 바꾸는 것입니다.
수십 년 동안 개발 된 일반적인 접근법은 조정 된 광학 펄스를 사용하여 원자와 분자의 전자 구름을 재구성하는 것입니다. 올 여름 초 뉴 올리언스의 Tulane University의 연구원과 협력자 들이이 아이디어를 확장했습니다. 그들은 펄스 전략을 고체 및 벌크 재료에 적용하는 방법을 알아 내서 화학적 구성과 구조에 의해 자신의 특성이 어떻게 지시되는지에 관한 일반적인 법률을 다시 작성했습니다. Tulane의 Gerard McCaul은 양자 제어를 사용하여“당신은 거의 모든 것처럼 보이게 할 수 있습니다.”
한편, 다른 연구자들은 이미 이런 식으로 행동하지 않는 재료에서 초전도성 (저항없이 전기를 전도 할 수있는 능력)을 만들기 위해 이미 가벼운 펄스를 사용했습니다.
그러나이 기술의 실제 잠재력은 흉내의 경이로움을 가능하게하는 것이 아니라 다른 종류의 변화를 유도하는 데있어있을 것입니다. 광선은 인수 화와 같은 어려운 문제를 해결할 수있을 정도로 강력한 광학 컴퓨터를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 화학 물질은 일시적이고 선택적으로 보이지 않게 될 수 있으며, 이는 복잡한 혼합물의 분석에 도움이 될 것이다. 이론적 가능성은 우리의 상상력에 의해서만 제한적입니다. 실제로, 한계는 빛과 물질의 상호 작용을 이해하고 통제 할 수있는 방법에서 비롯 될 수 있습니다.
펄스 계획
1960 년대 초 레이저의 발명 후, 많은 연구자들은이 장치가 분자를 조작하는 데 사용될 수 있음을 신속하게 깨달았습니다. 분자의 전자 구름이 레이저 조명의 전자기장에 느끼고 반응하기 때문에 모든 물결이 진동하는 (즉, 일관성있게). 그러나 무언가를 진정으로 통제하려면 궤적이 변하는 타임 스케일에서 분자에 매우 빠르며 전자의 경우 더 빠릅니다. 처음에 레이저 펄스는 단순히 충분히 빠른 시퀀스의 누드를 전달하기에 충분히 짧게 만들 수 없었습니다.
그러나 1980 년대 후반과 1990 년대 초반, 펄스 지속 시간은 몇 대의 펨토초 (펨토초는 10 초)로 내려졌으며, 원자 운동의 시간 프레임에 접근했습니다. 이를 통해 레이저는 이러한 동작을 선택적으로 자극하고 조사 할 수있었습니다. 그러나 1990 년대 초 프린스턴 대학교의 화학자 인 허스 첼 라 비츠 (Herschel Rabitz)와 그의 동료들은 특정 경로를 따라 분자 거동을 안내 할 수있는 복잡한 파형이 필요하다고 지적했다. 펄스 모양의 기술은 운이 좋을 때 광학 통신을위한 당시 개발되었습니다.
그러나 도전은 엄청납니다. 거시적 물체 (글라이더)가 취한 경로를 제어하려면 수정하려는 궤적을 알아야합니다. 양자 기계 시스템의 경우, 동등한 것은 양자 파 함수가 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 아는 것입니다. 이는 해밀턴이라는 수학적 함수에 의해 결정됩니다. 그리고 문지름이 있습니다 - 수소 원자와 같은 가장 간단한 시스템을 제외한 모든 시스템은 해밀턴 사람들이 너무 복잡 해져 연구자들이 파도 기능의 역학을 정확하게 계산하기에는 너무 복잡해집니다.
.그 지식이 없으면 (필요한지 미리 계산해야 할 필요가없는 경우, 유일한 대안은 시행 착오 인 것 같습니다. 초기 제어 펄스를 시도한 다음 동일한 실험을 계속해서 실행하여 반복합니다. 컨트롤 스틱의 임의의 움직임을 시도한 다음 효과가있는 것을 본 후 점차 움직임을 정제함으로써 착륙하는 글라이더 조종사와 같습니다.
.글라이더보다 양자 시스템의 경우 훨씬 더 복잡합니다 (덜 위험한 경우). 맥박을 형성하면 더 많은 주파수가 추가되는 것을 의미합니다. 문제는 어떤 주파수 조합이 필요한지 파악하는 것입니다. Rabitz는“피아노와 같지만 약 128 개의 열쇠가 있었기 때문에 더 나쁘다”고 말했다. (오늘날 펄스 모양은 천 정도의 주파수 구성 요소를 포함 할 수 있습니다.)
이제 Tulane 및 그의 동료의 Denys Bondar와 함께 일하는 McCaul은 필요한 맥박을 미리 계산하기위한 이론적 체계를 설명했습니다.
양자 역학에서, 물질의 특정 특성 (전기 전도도, 예약 또는 광학 투명성 또는 반사율)은 관찰 가능한 수량의 평균 또는 "기대 값"에 해당합니다. 물질의 파도 기능이 있고 어떤 종류의 광 맥박을 사용하고 있는지 알고 있다면 결과를 기대할 수 있습니다 - 기대 값 -
.Bondar의 팀은 문제를 뒤집습니다. 달성하고자하는 결과 (기대 값)로 시작하여 생성 할 빛 펄스를 계산합니다. 이를 위해서는 시스템의 파도 기능 또는 해밀턴 (Hamiltonian)을 동등하게 알아야합니다. 일반적으로 그렇지 않습니다. 그러나 괜찮습니다. 충분한 근사치를 식별 할 수있는 한, 실제 특징의 중요한 특징을 포착 할 수있을 정도로 가까운 일종의 "장난감"웨이브 함수
이런 식으로, 연구원들은 작은 분자 수집에서 방법을 전자의 전체 바다를 가진 크고 부피가 큰 고형물로 확장하는 방법을 알아 냈습니다. Bondar는“우리는 시스템을 전자 구름으로보고 구름을 변형시키기 시작합니다. 제어 펄스는 전자가 따라야하는 일종의 트랙을 생성하므로 접근 방식을 추적 제어라고합니다.
Bondar 팀과 협력하는 Princeton의 Rabitz 그룹의 이론적 화학자 인 Christian Arenz는이 접근법이 물질의 특성을 조작하기위한 올바른 제어 필드를 훨씬 쉽게 찾을 수 있다고 설명했다. 이전에는 제어 필드를 설계하는 것이 점진적이고 반복적 인 개선의 문제 였지만 추적 접근 방식은“많은 신체 시스템을 제어하기위한 새로운 길”을 설정합니다. "이 작업은 미래의 통제 방법에 큰 영감을 줄 것이라고 생각합니다."
고체를 재구성하려면
양자 코 히어 런트 제어에 대한 초기 연구의 대부분은 개별 분자에서 잘 정의 된 변화를 유발하는 데 중점을 둡니다. 예를 들어, 주어진 화학 결합으로 에너지를 선택적으로 펌핑하여 화학 반응 과정을 제어 할 수 있습니다. 그러나 물질에서 한 번에 많은 전자를 일관되게 조작하는 것은 더 어려운 도전입니다.
원자가 고체로 모여지면, 이웃의 가장 바깥 쪽 전자 껍질은 겹치며 재료 전체에 걸쳐“밴드”를 형성합니다. 전자 및 광학적 특성은 이들 대역의 특징에 따라 다릅니다. 예를 들어 금속에서, 에너지가 가장 높은 전자는 용량에 채워지지 않은 밴드를 차지하므로 전자는 원자 격자 전체에 걸쳐 움직일 수 있으므로 재료가 전기를 전도 할 수 있습니다. 한편, 절연 물질에서, 전자가 차지하는 가장 높은 에너지 밴드는 완전히 채워져 있으므로, 이들 전자가 움직일 수있는 "공간"은 없다. 그들은 원자에 국한되어 있으며 재료는 전도되지 않습니다.
더 이국적인 유형의 전자 행동은 전자의 움직임을 군중 속의 사람들 그룹의 움직임과 같이 상호 의존적으로 만드는 양자 기계적 효과로 인해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 기존의 초전도체에서, 가장 높은 에너지 전자는 두 전자가 군중을 통해 다른 사람을 쫓는 사람처럼 약간 떨어져있을 수 있지만 동기로 이동하는 상관 관계 쌍 (쿠퍼 쌍)을 형성합니다. 이 쿠퍼 쌍은 모두 동일하게 행동하여 초전도가 저항없이 전기를 전도 할 수있는 막을 수없는 추진력을 제공합니다. 마치 전자가 더 이상 원자 핵의 기본 격자를 알아 차리지 않는 것처럼 보입니다.
그러나 어떤 종류의 재료가 그러한 특성을 야기합니까? 일반적으로 그들을 찾으려면 다른 요소의 순열의 바다에서 낚시를해야합니다. 그것은 매우 느리고 노동 집약적입니다. 새로운 초전도 재료를 개발하는 데 소요되는 엄청난 시간과 노력을 목격합니다.
그러나 전자가 분배되는 방식을 재구성하기 위해 가벼운 펄스를 사용하여 원하는 속성을 다소 또는 적은 재료로 호출 할 수 있다고 상상해보십시오. 이보기에서 전자 밴드 구조는 재료 자체에 의해 고정 된 것이 아닙니다. 대신 밴드는 원하는 형태로 성형 할 수있는 일종의 퍼티가됩니다. 올바른 제어 펄스를 찾으면 모바일 전자 배열을 쿠퍼 쌍으로 결합하여 철 또는 구리와 같은 겸손한 물질에서 불가능할 수있는 조건에서 초전도체를 만들 수 있습니다.
.모양의 레이저 펄스를 사용하여 재료의 특성을 지정하고 제어한다는이 개념은 이미 과일을 맺었습니다. 예를 들어, 연구원들은이를 사용하여 단열과 금속 거동 사이의 재료를 전환하고 자기 특성을 제어하고 초전도성을 유발하기 위해 사용했습니다. 일반적인 아이디어는 빛 펄스가 시스템의 한 단계와 금속과 절연체 사이의 균형을 조영하는 방식으로 에너지 밴드들 사이에서 전자를 재분배한다는 것입니다. 이런 식으로, 연구자들은 일반적으로 필요한 극한 극단보다 수십 학위에서 초전도성을 생성했습니다.
.그러나 초기 약속에도 불구하고 연구자들은 실험 작업이 진행되고 있다고 경고합니다. Bondar의 팀과 협력하고있는 King 's College London의 이론적 물리학자인 George Booth는“이 연구를 확장 된 고형물 영역, 특히 강력한 [전자] 상관 효과의 존재 하에서 유아기의 존재하에 매우 유아기에 옮겼습니다. Arenz는 간단한 재료 모델에 대한 계산을 어느 정도까지 "다른 현상과 시스템으로 일반화 할 수 있습니다."
그리고 전략이 아무리 성공적이든, 이러한 변경된 특성은 제어 펄스를 적용하는 한 지속됩니다. 롤 몰드 된 전자 구조는 자체 어코드 대신에 머물러 있지 않습니다. 그러나 전자 장치의 일부 응용 분야의 경우, 중요하지 않을 수도 있습니다. 원하는 순간에만 원하는 속성을 자료에 "작성"할 수 있습니다.
.모든 것이 될 수 있습니다
이 접근법은 피상적 인 모방만을 생성한다고 반대 할 수 있습니다. 일부 연금술사들은 화학적 반응을 유도하여 금속에 황금빛 광택을주는 다른 금속에 약간의 표면 처리를 적용함으로써“금을 만들었다”고 주장하는 방식입니다. 그것은 어떤 의미에서도 금이 아니 었습니다.
Bondar는 동의하지 않습니다 :광학적으로 유도 된 변화는“실제로는 실제로 근본적입니다.”라고 그는 말했다. 한 가지 유형의 알칼리 금속 원자 (나트륨과 같은)를 유도하여 다른 루비듐과 같은 다른 (Rubidium과 같은)를 모방하려면 원자의 쌍극자 모멘트를 조작하기 위해 제어 빔을 사용해야합니다. Bondar는“쌍극자 순간은 일부 화학적 특성을 포함하여 다른 것들에 영향을 미칩니다. 변형은 단순한 외관보다 더 깊어집니다.
그렇다고 레이저 연금술사가 물질을 다른 물질로 전환 할 수있는 능력이 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 독일 함부르크의 Max Planck Instit "우리는 자료가 전혀 존재하지 않으면 자료의 반응을 모방 할 수 없습니다." "평형 특성에는 다른 온도 나 압력 또는 자기장에있는 것이 있어야합니다. 예를 들어, 재료가 이미 찾고있는 속성을 보유하고있는 곳입니다."
.따라서 연구자들은 리드를 금으로 바꾸는 대신에 항상 주도하고 항상 주도적 인 것으로 남아있는 것에서 특정 금과 같은 반응을 깨우고 있습니다. Först가 실험적으로 연구 한 광으로 인한 초전도성은 처음부터 초전도성을 창출하는 것이 아니라 다른 방법보다 더 높은 온도에서 가능합니다. "우리의 일관된 제어 펄스가 깨어납니다." Max Planck Institute의 Först의 공동 작업자 Michele Buzzi가 동의합니다. "운전을 사용하여 매우 멋진 주에 접근 할 수는 있지만 자료를 가져다가 완전히 다른 것을 만들 수 있다고 말하는 것만 큼 갈 수는 없습니다."
.그렇다면, 빛으로 인한 변형이 실제로 얼마나 멀리 갈까요? 그런 초전도기에서 Cooper 쌍을 정말로 만들고 있습니까? 아직 명확하지 않습니다. Buzzi는 실험에서“우리는 쿠퍼 쌍을 시작하기보다는 동기화하고있다”고 생각합니다. 즉, 초전도 상태를 생산하기 위해 공동으로 행동 할 수 있습니다. "그러나 우리는 이것에 대해 완전히 확신하지 못한다"고 그는 말했다
많은 입자 시스템의 양자 제어 방법을 연구하는 베를린 자유 대학의 Christiane Koch는 특정 반응을 피상적으로 모방하기보다는 근본적인 수준으로 재료를 진정으로 바꾸려면 연구원들이 전자 구름에 매우 깊이 파고들 필요가 있다고 생각합니다. 이는 매우 강렬한 제어 빔이 필요하므로 전자기장의 강도는 고유 전자 구조를 형성하는 내부 힘과 경쟁 할 수 있습니다. 어쩌면 그렇게 할 수 있을지도 몰라서 쉽지는 않지만
어려운 문제를 밝히는
양자 일관성 제어의 잠재적 인 사용은 흉내에 힌트를 일으키지 않고 대신 "디자인 된"방식으로 빛과 물질을 결합하는 방식으로 거래합니다. 그러한 사용 중 하나는 광학 컴퓨팅입니다. 광선은 원칙적으로 컴퓨팅을위한 정보의 훌륭한 캐리어라고 Bondar는 한 번에 많은 파장을 사용하여 많은 정보를 넣을 수 있기 때문입니다. 그러나 근본적인 문제는 둘 이상의 빔이 서로 대화하기가 어렵다는 것입니다. 전자와 달리 Bondar는“빛과 빛과 상호 작용하는 것을 싫어합니다.”
Bondar의 추적 제어 체계는 해당 커플 링을 달성 할 수있는 방법을 보여줍니다. 원칙적으로 단일 원자만큼 작고 제어 빔에 의해 조작됩니다. 들어오는 데이터를 포함하는 두 번째 빔은 문제와 상호 작용합니다. 상호 작용은 데이터를 변환하여 계산을 제정합니다. Bondar는“이것은 단일 원자 컴퓨팅의 길을 열어줍니다
더 놀랍게도이 광학적 접근 방식을 사용하여 고전적인 전자 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 인수화와 같은 어려운 문제를 해결할 수 있습니다. Bondar와 McCaul은 고전적인 광학에 대한 금액을 사용하여 양자 컴퓨터에 처음 제안 된 Shor 's Algorithm이라는 양자 인수 화 알고리즘을 구현할 수 있다고 생각합니다. Bondar는“역사의 쓰레기통에 클래식 컴퓨팅을하기에는 너무 이르다”고 말했다.
McCaul은 또한 추적 제어를 사용하여 복잡한 화학 혼합물을 분석하기를 희망합니다. 예를 들어 약물 발견에서 종종 직면 한 문제입니다. 그는 당신이 다른 화학 물질의 혼합물을 많이 가지고 있다고 말했다. 각 구성 요소의 스펙트럼 (특징적인 서명을 생성하기 위해 다른 주파수의 빛을 흡수하는 방법을 알고 있다면 혼합물에 어떤 화합물이 있는지 알아낼 수 있습니다. McCaul은“그러나 스펙트럼은 종종 서로 유사 할 수 있으므로 구성 요소가 많으면 매우 어려워집니다. 추적 제어를 통해 연구원들은“한 번에 하나씩 각 종의 광학 반응을 끄는 것”이라고 그는 말했다. McCaul은 원칙적으로 이것이 다른 화학 물질 사이의 차별을 몇 배로 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다.
그런 다음 제어를 추적하여 가능할 수있는 광학 연금술의 위업에 보이지 않는 것을 추가하십시오. 적어도 이론적으로, 그것은 올바른 빛에서 볼 수 있듯이, 그것이 보이는 것처럼 보일 수 있음을 보여줍니다.
이 기사는 Wired.com에서 재 인쇄되었습니다.
