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전자에서만 관측된다고 여겨졌던 ‘양자 홀 효과(Quantum Hall Effect)’가 빛에서도 나타날 수 있음이 처음으로 실험에서 확인됐다. 전기적 전하가 없어 자기장과 전기장에 직접 반응하지 않는 광자(빛의 입자)가, 특정 조건에서는 전자와 유사한 양자 규칙을 따라 ‘단계적으로’ 이동할 수 있다는 뜻이다. 이번 성과는 국제 공동 연구진이 수행했으며, 지난달 5일 학술지 Physical Review X에 실렸다. 연구진은 빛이 연속적으로 흘러가는 대신, 일정 구간에서는 멈춘 듯 유지되다가 갑자기 다음 값으로 ‘툭’ 뛰는 양자화된 이동을 보인다는 점을 실험으로 제시했다.
이야기의 출발점은 19세기 말 발견된 ‘홀 효과’다. 전류가 흐르는 도체에 전류 방향과 직각인 자기장을 걸면, 도체 양옆에 전압이 생긴다. 전류를 운반하는 전자가 자기력에 의해 한쪽으로 치우치면서 한쪽 가장자리에 음전하가 쌓이고 반대편에는 양전하가 상대적으로 남아 전하 분리가 만들어지기 때문이다. 이렇게 생기는 횡전압은 측정 정밀도가 높아 자기장 센서, 반도체 도핑 수준 평가, 전하 운반 특성 분석 등에서 핵심 도구로 오랫동안 활용돼 왔다.
하지만 1980년대 초, 같은 현상을 극저온의 2차원 전자계(매우 얇은 전도체)에서 강한 자기장으로 조사하자 전혀 다른 장면이 펼쳐졌다. 자기장을 높이면 전압이 ‘연속’으로 변할 것이라는 고전적 예측과 달리, 측정값이 계단처럼 증가했다. 일정 범위에서는 값이 평평하게 유지되는 ‘플래토(plateau)’가 나타났고, 어느 임계점에서 갑자기 다음 단계로 이동하는 형태였다. 더 근본적인 점은 이 플래토 값이 물질의 종류나 미세한 결함에 크게 좌우되지 않고, 전자의 전하와 플랑크 상수 같은 자연 상수에 의해 보편적으로 정해진다는 사실이었다. 이 발견은 이후 분수 양자 홀 효과와 위상 물질 연구로까지 이어지며 현대 응집물질 물리의 한 축을 형성했다.
그럼에도 불구하고 ‘빛에서의 양자 홀 효과’는 오랫동안 난제로 남았다. 전자와 달리 광자는 전하를 갖지 않기 때문에, 자기장이 전자를 옆으로 밀어내듯 광자를 직접 구부리거나 한쪽으로 몰아세우기 어렵다. 그래서 많은 연구자들은 광자에서 전자와 같은 방식의 홀 응답, 특히 양자 홀 효과의 핵심 특징인 양자화된 계단 패턴을 구현하는 일은 현실적으로 힘들다고 봤다.
이번 연구의 핵심은 광자의 이동을 ‘외부장에 의존하지 않고도’ 매우 정교하게 조율할 수 있는 인공적인 광학 구조를 설계한 데 있다. 연구진은 빛의 공간적 모드와 주파수 특성이 얽히도록 만든 특수한 플랫폼에서, 광자가 이동하는 경로에 위상적(topological) 성질이 나타나도록 구성했다. 그 결과, 빛이 단순히 퍼져 나가는 대신 전자계에서 관측되는 것과 닮은 방식으로 횡방향 드리프트가 ‘양자화된 단위’로 일어나는 현상이 포착됐다. 다시 말해, 광자도 어떤 조건에서는 연속적인 변화가 아니라 불연속적인 단계 이동을 보일 수 있다는 점이 실험으로 드러난 것이다.
이 성과는 기초물리 측면의 의미에 그치지 않고, 정밀 계측 분야로의 확장 가능성도 함께 제기한다. 양자 홀 효과에서 나타나는 플래토는 전기 저항 표준을 구성하는 데 중요한 기준이 돼 왔다. 오늘날 질량 등 여러 단위가 자연 상수에 기반해 정의되는 흐름 속에서, 전류를 정확히 측정하기 위한 보편적 저항 기준의 역할은 더욱 중요해졌다. 연구진은 광학적 방식으로 구현된 양자화 현상이 장기적으로는 전자 기반 표준을 보완하거나, 특정 상황에서는 대체할 수 있는 새로운 선택지가 될 수 있다고 본다.
응용 전망은 양자 정보·컴퓨팅으로도 이어진다. 위상 구조를 활용해 빛의 전달 경로를 안정적으로 통제할 수 있다면, 잡음이나 결함에 상대적으로 강한 광자 기반 양자 장치 설계에 도움이 될 수 있다. 또한 ‘완벽하게 양자화된’ 값에서 발생하는 미세한 이탈 자체가 민감한 신호가 될 수 있어, 온도 변화·진동·외부 교란을 감지하는 초정밀 센서로의 활용 가능성도 거론된다.
다만 연구진은 광자 시스템이 전자 시스템과 달리 본질적으로 비평형(non-equilibrium) 특성이 강하다는 점을 이번 실험의 가장 큰 기술적 장벽으로 꼽았다. 빛의 생성, 증폭·손실, 안정화, 모드 결맞음 등을 동시에 정밀하게 다뤄야만 계단식 양자 이동 같은 현상이 분명하게 드러난다는 설명이다. 그럼에도 이번 결과는 ‘전자에서만 가능한 양자 규칙’으로 여겨졌던 현상이 광자 영역으로 확장될 수 있음을 보여주며, 위상 광학과 광자 기반 양자기술 연구의 중요한 분기점이 될 것으로 평가된다.
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