열린 양자역학적 시스템에서 헤밀토니안이 두 개 이상의 변수의 함수로 주어 지는 경우, 적절한 변수값들에 대해 시스템의 고유상태함수가 하나로 융합 (coalesce)될 수 있다. 이와 같은 현상을 특이점(exceptional point, EP) 현상이라 하며, 이론적으로는 다양한 시스템에서 그 독특한 성질이 연구되어 왔다. 원으로부터 변형된 형태를 갖는 비대칭 유전체 미소 공진기에서 전기장은, 같은 형태의 포텐셜 우물에 갇힌 양자입자의 상태함수와 일대일 대응을 갖는다는 것이 잘 알려져 있기에, 비대칭 유전체 미소 공진기는 EP 현상을 직접 관측할 수 있는 시스템 중 하나로 지목되어 왔다.

안경원/이재형/이수영 교수 연구팀은 액체 제트로 만들어진 비대칭 유전체 미소공진기에서 EP 현상을 분광학적 방법으로 처음 관측하고 EP 주변의 topology를 규명하였다. 연구팀은 공진기의 비대칭율과 모드 수를 두 변수로 삼아 이들을 바꿔가면서 공진 모드의 주파수와 감쇠율을 체계적으로 측정함으로써 EP 조건을 만족시키는 변수쌍을 찾아 낼 수 있었다. 공진 주파수(에너지 레벨에 해당)를 변수공간에서 투영할 경우, EP 주변의 topology가 수학적으로 분기점(branch-point) singularity와 동일하고, 따라서, EP 주위를 두바뀌 돌아야만 원래 에너지 레벨로 돌아오는, 즉 뫼비우스의 띠와 같은 topology를 보인다는 사실을 실험적으로 확인하였다. 아울러 이러한 topology 때문에 열린 양자시스템에서 양자수와 같은 quantum labeling이 불가능하다는 해석을 새롭게 제시하였다.

본 연구는 NRL, WCU, BK21의 지원을 받아 이루어졌다.