자기장을 가로지르는 도선에 생기는 유도기전력 계산은 고등학교 물리 교과서에도 실려 있는 친숙한 문제다.그러나 이 유도기전력이 '패러데이의 전자 유도의 법칙'과 '로렌츠 힘'이라는 고전 전자기학상의 완전히 독립적인 물리법칙 중 어느 것을 사용해도 도출할 수 있는 이유는 지금까지는 알 수 없었다.
쓰쿠바대학의 고이즈미 유야스 준 교수는 이 기묘한 일치의 수수께끼를 양자역학과 게이지 포텐셜을 이용해 밝혔다고 한다.
양자역학에서 전자의 움직임은 파동 함수로 표현되며, 전자기장에서 기본적인 물리량은 전기장이나 자기장이 아니라 게이지 전위이다.고이즈미 준 교수는 유도 기전력의 계산에 이것을 적용하고, 전자의 운동을 파동 함수로 기술하는 것과 동시에, 전자장을 게이지장으로 하고, 전장·자장 대신에 게이지 포텐셜을 이용했다.그 때, 게이지의 자유도를 에너지 최소화라는 조건에 의해 고정한 바, 움직이는 도선 중의 전자의 양자 상태를 나타내는 파동 함수의 위상 인자가 전자의 도선을 따른 방향의 로렌츠력에 의한 병진 운동 를 나타내는 한편, 전장을 낳는 시간 의존한 게이지 포텐셜에도 보여줄 수 있는 것을 알았다.
즉, 이 전자의 견해가 로렌츠 힘을 사용하는 방법에, 후자가 패러데이의 전자 유도의 법칙을 사용하는 방법에 대응해, 고전 전자기학에서 보여진 2개의 본질적으로 다른 방법으로의 이상한 일치는, 전자의 양자 상태를 나타내는 파동 함수의 위상 인자의 이중성에 의해 연결된 결과인 것을 알 수 있었다.
이 결과는 우연한 장난으로 여겨지는 일치에 이론적인 대답을 제공했을뿐만 아니라 초전도 상태의 파동 함수에 위상 인자의 이중성 아이디어를 적용하여 초전도 양자 비트 를 사용한 양자 컴퓨터의 개발에도 공헌하는 것이라고 한다.
논문 정보:【Journal of Superconductivity and Novel Magnetism】Flux Rule, U(1) Instanton, and Superconductivity
