과학자들, 에너지 갭 없는 음향 실험에서 임계 위상 관측

위상은 통상적인 보호 장치가 사라져도 유지된다

과학자들이 위상을 설명할 때 보통 핵심 요소로 여기는 에너지 갭이 닫히는 상전이에서 위상 상태를 실험적으로 관측했다. 2026년 10월 7일 네이처에 발표된 이번 연구는 설계된 음파 구조를 활용해 1차원과 2차원에서 임계 위상을 확인하고, 갭이 없는 벌크 내부에서 경계 모드를 직접 영상화했다.

임계 위상의 실험적 관측이라는 제목의 이 연구는 중국과학기술대의 장젠화가 홍콩대, 닝보 동방이공대, 쑤저우대 및 기타 기관 연구진과 함께 이끌었다. 핵심 발견은 에너지 갭으로 보호되는 상 내부에서만이 아니라, 상과 상의 경계에서도 식별 가능한 위상 특성이 유지될 수 있다는 점이다.

실험은 전자 양자 물질이 아닌 고전 음향 플랫폼에서 진행됐다. 이 차이는 중요하다. 연구진은 양자 문제의 수학적 특성을 음파에 대응시킨 뒤, 음향 시스템을 측정해 그에 해당하는 위상 정보를 얻었다.

싱가포르 난양공대의 장바이 연구팀이 이끈 별도의 네이처 연구도 다른 실험 전략으로 임계 위상 현상을 관측했다. 두 연구는 이론적 예측을 실험실에서 관측한 결과로 이어 주지만, 양자 물질에서 이에 상응하는 거동을 구현하는 일은 추가 연구 과제로 남아 있다.

에너지 갭의 일반적인 역할

위상 물질의 잘 알려진 사례로 위상 절연체가 있다. 내부에서는 전기가 통하지 않지만 경계에서는 전기가 흐를 수 있다. 이 독특한 거동은 한 지점의 원자 배열보다는 상태의 전역적 특성에 좌우된다.

에너지 갭은 허용된 상태의 집단들을 분리하는 에너지 범위다. 위상 절연체를 설명하는 통상적인 이론에서 이 분리는 위상 불변량을 정의하는 데 도움을 준다. 위상 불변량은 한 상과 다른 상을 구별하는 이산적인 수학적 표지다. 전이점에서 갭이 닫히면 표준적인 설명은 필요한 분리를 잃을 수 있다.

새 연구는 바로 이 상황을 다룬다. 모든 갭리스 시스템이 위상적이라고 주장하거나 기존 위상 이론이 틀렸다고 말하는 것은 아니다. 특별히 설계된 임계 상태는 통상적인 에너지 갭이 없어도 측정 가능한 위상을 가질 수 있음을 보여준다.

따라서 개념적 변화는 구체적이다. 갭이 닫혀도 모든 위상적 구별이 사라지는 것은 아니다. 적절한 진단법을 이용하면 연구자들은 상 경계 자체에서 서로 다른 유형의 임계 상태를 구별할 수 있다.

양자 문제를 대신하는 3D 프린팅 음향 시스템

장젠화와 공동 연구자들은 3D 프린팅으로 제작한 수지 구조물을 이용해 인공 포논 결정을 만들었다. 포논 결정은 음파가 이동하는 방식을 제어하도록 설계된 구조물로, 연구자들이 특정 물리 모형을 나타내는 파동 거동을 구현할 수 있게 한다.

이 구조물은 보통 양자 상태로 표현하는 문제를 눈으로 보고 측정할 수 있는 거시적 플랫폼으로 구현했다. 이 대응 관계는 임계 위상을 살피는 데 필요한 핵심 수학적 물리량을 보존했다. 음파를 이용하면 시스템을 손쉽게 들뜨게 하고 반응을 측정할 수 있다.

네이처 논문 저자들은 플랫폼과 양자 문제의 관계를 명시적으로 설명했다.

고전적 플랫폼에서 구현했지만, 우리의 실험 접근법은 양자 극한에서와 동등한 결과를 제공하며 실제로 양자 시스템으로 쉽게 확장할 수 있다.

이 설명은 실험으로 구현한 물리량에 관한 것이다. 프린팅한 수지 자체가 양자 물질이 됐다거나 연구진이 양자 컴퓨터를 구현했다는 증거로 해석해서는 안 된다. 이번 성과는 고전적 설명과 양자적 설명 사이의 대응 관계에 기반해 관련 위상을 음향으로 구현하고 측정한 것이다.

얽힘 스펙트럼으로 위상 읽기

주요 난관은 측정이었다. 에너지 갭이 없으면 경계 신호가 내부로 뻗어 있는 상태와 겹칠 수 있다. 갭 안에 고립된 경계 모드를 찾도록 설계된 기법을 그대로 적용할 수는 없다.

대신 연구팀은 얽힘 스펙트럼과 얽힘 파동함수를 사용했다. 양자 설명에서 얽힘 스펙트럼은 시스템을 수학적으로 나눈 뒤 각 부분의 상관관계를 살펴 얻는다. 일반적인 허용 에너지 스펙트럼만으로는 명확하지 않은 구조적 정보를 드러낼 수 있다.

음향 실험에서 연구진은 측정한 파동 응답으로부터 이에 해당하는 정보를 재구성했다. 음장을 들뜨게 하고 그 반응을 기록해 그린 함수를 얻었다. 그린 함수는 교란이 구조물 안에서 어떻게 전파되는지를 나타내는 수학적 기술이다. 연구진은 응답을 스펙트럼 성분으로 분해해 얽힘 정보를 복원했다.

장젠화 연구팀은 2024년 얽힘 엔트로피와 얽힘 스펙트럼을 측정하는 실험 방법을 개발해 네이처 커뮤니케이션스에 발표했다. 처음에는 갭이 있는 기존 위상 상태에 적용했지만, 이 방법은 더 까다로운 임계 사례를 다루는 데 필요한 도구가 됐다. 새 연구는 얽힘 정보와 경계 거동을 연결하는 일반화된 리-할데인 대응 관계도 활용했다.

연속 스펙트럼 안에서도 관측되는 경계

네이처 논문은 얽힘을 기반으로 한 진단과 갭리스 벌크 연속체에서 위상 경계 모드를 직접 영상화한 결과를 모두 보고했다. 두 관측은 서로 보완적이다. 하나는 위상을 수학적으로 식별하고, 다른 하나는 물리적 경계에서 나타나는 관련 파동 거동을 보여준다.

여기서 연속체란 경계 모드와 같은 스펙트럼 영역에 내부를 가로지르는 상태들이 존재한다는 뜻이다. 따라서 경계 신호는 다른 부분이 비어 있는 갭 안에 홀로 놓여 있지 않다. 그 영역에서 내부가 파동을 지지하는데도 신호는 가장자리 근처에 국소화돼 있다.

연구진은 이 경계 상태를 연속체 안의 위상 국소화 상태로 설명했다. 계산된 표지에만 의존하지 않고 추상적인 분류를 실제 공간 패턴과 연결했다는 점에서 이번 관측은 중요하다.

이번 연구는 실험적 특성 분석을 1차원에서 시간 반전 대칭을 가진 2차원 시스템으로 확장했다. 이 대칭은 물리적 과정과 시간 반전된 대응 과정을 서로 연결한다. 이 조건에서 임계 위상을 입증함으로써, 앞선 이론적 예측이 주로 다뤘던 1차원 사례를 넘어 결과의 범위를 넓혔다.

두 실험, 서로 다른 임계 위상 검증

동방이공대의 10월 7일 발표는 네이처에 게재된 독립적인 두 연구를 소개한다. 장젠화 연구팀의 논문은 1차원과 2차원에서 얽힘 측정을 통해 임계 위상을 살폈다. 장바이 연구팀의 별도 논문인 「임계 위상 상전이의 관측」은 1차원 플로케 임계점을 연구했다.

플로케 시스템은 지배 조건이 시간에 따라 주기적으로 반복되는 시스템이다. 이 시스템의 상태는 반복 주기를 반영하는 준에너지로 기술한다. 장바이 연구팀은 준에너지가 0인 위상 모드와 통상적으로 π로 표기하는 별도의 값에 해당하는 모드를 관측했다.

두 연구는 같은 장치를 다르게 설명한 것이 아니다. 각 연구팀은 임계 위상 현상을 검증하기 위해 서로 다른 설계와 측정 방법을 사용했다. 장젠화 연구팀의 연구 DOI는 10.1038/s41586-026-11099-x이고, 별도의 플로케 연구 DOI는 10.1038/s41586-026-11067-5다.

동방이공대의 위자자는 두 논문 모두의 교신저자이며 이론적 지침을 제공했다. 장젠화 연구를 소개한 설명은 이를 최초의 실험적 관측이라고 표현하지만, 동방이공대의 발표는 두 연구를 모두 최초의 실험적 증거를 확립한 연구로 소개한다. 발표문은 두 실험의 선후 관계를 확정하지 않으므로, 전체적인 진전은 독립적인 두 실증으로 이해하는 것이 적절하다.

이론과 측정의 결합

동방이공대의 연구 소개는 여러 이론적 이정표를 거쳐 이번 연구에 이른 과정을 설명한다. 위자자와 공동 연구자들은 2022년 양자 임계점에서 위상을 분류하는 이론을 개발했고, 2024년에는 내부 위상과 경계 상태 사이의 일반화된 대응 관계를 제시했다. 2026년에는 평형 상태에서 벗어난 동역학으로 이론을 확장했다.

이러한 진전은 기존의 갭 기반 설명으로는 충분하지 않은 상황에서 위상을 정의하고 식별하는 방법을 제공했다. 장젠화 연구팀이 앞서 개발한 측정 기법은 그 식별에 필요한 정보를 얻을 실험적 경로를 마련했다. 이번 성과가 이론과 계측 기술 모두에 의존한 이유를 보여주는 흐름이다.

• 2022년: 위자자와 공동 연구자들이 양자 임계점에서 위상을 분류하는 이론을 제안했다.
• 2024년: 내부 위상과 경계 상태 사이의 일반화된 대응 관계가 제안됐고, 장젠화 연구팀은 얽힘 측정 방법을 발표했다.
• 2026년 2월 17일: 네이처가 「임계 위상의 실험적 관측」 논문을 접수했다.
• 2026년 8월 27일: 네이처가 논문을 게재 승인했다.
• 2026년 10월 7일: 연구가 발표됐고, 동방이공대는 네이처에 실린 두 실험을 소개했다.

위자자는 베이징대의 쉬리메이, 저장대의 린하이칭과 함께 피직스 리포츠에 임계 위상에 관한 리뷰 논문도 공동 집필했다. 동방이공대 발표에 따르면 장젠화 연구팀 논문의 공동 제1저자는 린즈캉, 왕리웨이, 쿵저린이며, 공동 교신저자는 위자자, 장솽, 장젠화다.

위상은 상전이 자체도 구별할 수 있다

이번 실험은 특이한 경계 상태를 확인하는 데 그치지 않았다. 위상 경계가 서로 다른 유형의 임계 위상을 가질 때 어떤 일이 일어나는지도 살폈다. 연구진은 그러한 경계 사이의 전이가 여러 임계 경계가 만나는 다중 임계점으로 이어진다는 사실을 발견했다.

이는 상도표에 또 하나의 구성 체계를 더한다. 기존 상마다 서로 다른 위상 표지가 있을 수 있듯, 상을 나누는 임계 경계도 서로 구별될 수 있다. 이런 경계 분류 사이의 변화는 그 경계들이 만나는 지점에서 한층 더 깊은 구조를 만든다.

네이처 논문 저자들은 이 결과를 다음과 같이 밝혔다.

얽힘 기반 분석을 통해 임계 위상이 서로 다른 상 경계 사이의 전이가 상도표에서 다중 임계점으로 이어짐을 보인다. 이는 위상에 의해 유도되는 다중 임계성과 위상 상의 계층적 구조를 입증한다.

과학적 실용성은 상전이를 더 세밀하게 분류할 수 있다는 데 있다. 두 상태가 모두 갭리스이고 임계 상태여도 위상적으로는 다를 수 있다. 이러한 차이를 알아보면 갭이 닫히는 순간 위상 설명이 끝난다고 간주할 때 놓칠 수 있는 구조를 드러낼 수 있다.

위상 준금속과 다른 점

갭리스 위상 시스템은 이번 실험 전에도 알려져 있었다. 위상 준금속은 완전한 에너지 갭이 없으면서도 위상 특성을 가진다. 장젠화 연구팀의 설명은 기존에 확립된 시스템과 이번에 연구한 임계 상태 사이에 더 구체적인 차이를 둔다.

위상 준금속의 사례에서는 갭이 유지되는 적절한 부분공간을 사용해 위상을 정의한다. 부분공간은 전체 상태의 수학적 공간 가운데 선택한 일부다. 전체 시스템에 완전한 갭이 없어도 이 분리를 이용하면 위상을 정의할 수 있다.

반면 임계 위상 실험은 상 경계의 본질적으로 갭리스인 상태 공간에서 위상을 탐구한다. 따라서 새로운 점은 단순히 음파로 갭리스 현상을 재현했다는 데 있지 않다. 위상 준금속 사례에서 쓰는 갭이 있는 부분공간에 의존하지 않고 관련 위상을 규명했다는 데 있다.

이 구분은 위상과 갭리스 상태가 이전에는 모든 경우에 양립할 수 없었다는 식의 광범위한 주장을 경계하게 한다. 이번 증거는 특정 유형의 위상 상태와 그 임계 전이에 요구되던 기존 조건에 문제를 제기하는 것이지, 갭리스 위상 물질에 관한 기존 연구 전체를 뒤집는 것은 아니다.

이번 결과가 입증한 것과 향후 과제

가장 분명하게 입증된 결과는 얽힘 측정과 경계의 직접 영상화로 뒷받침된, 설계된 음향 시스템에서의 임계 위상 실험 증거다. 2차원으로의 확장과 위상과 연관된 다중 임계성의 관측 덕분에 이번 성과는 단일 경계 모드 시연보다 폭넓다.

연구진은 국소화 상태가 내부 상태의 연속체와 공존할 수 있다는 점에서 음향 및 광학 장치에 활용될 가능성을 제시했다. 장젠화는 양자 임계 상태의 위상 분류를 기초 연구의 한 방향으로도 꼽았다. 기관 발표는 양자 시스템, 주기적으로 구동되는 상, 위상 양자 계산에 관한 후속 연구도 언급한다.

이들은 입증된 제품이 아니라 연구 가능성이다. 발표문에는 장치 성능 수치나 상용화 일정, 양자 물질에서 동등한 실험을 진행할 예정일이 제시되지 않았다. 네이처 논문은 이 방법을 양자 시스템으로 확장할 수 있다고 설명하지만, 보고된 측정은 고전 음향 실험에 머문다.

당장의 진전은 전이점 자체를 살펴보는 새로운 실험 방법이다. 연구자들은 에너지 갭이 사라진다고 접근 가능한 모든 위상이 사라진다고 간주하는 대신, 어떤 위상적 구별이 유지되고 그것이 상 사이의 경계를 어떻게 구성하는지 이제 탐구할 수 있다.

핵심 내용

• 2026년 10월 7일 발표된 네이처 연구는 1차원 및 2차원 음향 시스템에서 임계 위상을 보고했다.
• 연구팀은 프린팅한 포논 결정으로 얽힘 정보를 재구성하고, 갭리스 연속체 안의 경계 모드를 직접 영상화했다.
• 실험은 고전 음파를 이용해 양자 위상 특성을 모형화했으며 새로운 전자 양자 물질을 입증한 것은 아니다.
• 장바이가 이끈 별도 연구팀은 1차원 플로케 임계점에서 0 모드와 π 모드를 관측했다.
• 위자자는 이론적 지침을 제공했으며 두 연구 모두의 교신저자였다.
• 위상이 다른 임계 경계 사이의 변화는 다중 임계점으로 이어져 상전이 분류에 구조를 더했다.
• 음향, 광학, 양자 시스템에서의 응용은 연구 과제로 남아 있으며, 시행 일정은 발표되지 않았다.