모식도에서 주황색 총알 모양의 원자가 y축 방향으로 날아간다. 나노구멍 격자막을 통과한 원자는 상태 제어용 레이저(자홍색 빛)에 의해 강한 빛을 방출할 수 있는 초방사 상태(양자중첩상태)로 준비된다. 네이처 논문 캡처국내 연구진이 빛으로 동작하는 양자 엔진(양자 열기관·quantum heat engine)을 세계 최초로 구현했다.
22일 과학기술정보통신부(과기부)에 따르면 안경원 서울대 물리·천문학부 교수가 이끄는 연구팀이 초방사(超放射, superradiance)를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다.
이번 연구는 과기부 개인기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행됐고 연구 결과는 국제학술지인 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 실렸다.
초방사란 양자역학적으로 질서정연하게 구성·행동하는 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상이다. 초방사 양자 엔진이 동작하려면 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 하는데 지금까지는 이론만 제시됐을 뿐 실제 제어가 불가능했다.
연구팀은 다수의 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들고 그들의 양자위상을 직접 제어하면, 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안해 연구를 진행했다. 이번 연구 성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례다.
초방사 양자 엔진은 비선형적으로 증가하는 출력과 열역학 법칙을 넘어서는 고효율로 일을 할 수 있어 향후 고성능 엔진 개발이나 광기반 역학장치 개발에 영향을 미칠 것으로 보인다.
안경원 서울대 교수는 "원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절해 초방사 현상을 제어하는 기술개발을 통해 원자물리와 양자정보처리 등의 분야에 기여했을 뿐 아니라 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시했다는 점에서 의의가 크다"고 설명했다.