빛으로 작동하는 '양자엔진'..서울대 연구팀 세계 첫 구현

안경원 물리·천문학부 교수 연구팀

‘초방사’ 활용 양자엔진 실물 구현 성공

유력지 ‘네이처 포토닉스’에 논문 게재

빛으로 동작하는 양자 엔진(양자 열기관·quantum heat engine)을 구현하는 데 국내 연구진이 세계 최초로 성공했다. 내연기관에서 연료가 폭발할 때 발생하는 압력의 힘으로 실린더 속 피스톤을 움직이는 것처럼 빛의 압력(광압)을 이용해 엔진을 움직이게 하는 원리다.

22일 과학기술정보통신부에 따르면 안경원 서울대 물리·천문학부 교수가 이끄는 연구팀은 ‘초방사(超放射, superradiance)’를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다. 초방사란 들뜬 상태(excited state·에너지가 높은 상태)의 원자들 간 결맞음이 발생하며 강한 빛을 내는 현상이다. 그 동안 학계에서는 초방사 이후 빛의 압력을 활용해 양자 열기관을 구동할 수 있을 것이라는 이론 수준의 아이디어가 제안돼 왔다. 그러나 안 교수 연구팀은 이 아이디어를 세계 최초로 실험을 통해 구현했다. 이번 연구 결과는 광학 분야 유력 학술지인 ‘네이처 포토닉스’(Nature Photonics)에 게재됐다.

연구팀은 원자가 통과할 수 있는 아주 작고 얇은 일종의 ‘체’를 만들었다. 이 체는 10㎚(나노미터, 10억분의 1m) 두께의 실리콘 나이트라이드 박막에 가로 280㎚, 세로 190㎚ 크기의 구멍 1000여 개를 체스보드 패턴으로 뚫어 만들었다. 나노구멍의 간격은 바륨 원자가 내는 빛의 파장인 791㎚로 설정했다.

연구팀은 체에 초속 800ｍ의 바륨 원자 빔을 입사시키고, 수직 방향으로는 상태 제어용 레이저를 쐈다. 결국 빛은 엔진 내부 양쪽에 설치된 거울을 약 100만 번 오가며 거울에 작용하는 압력(광압)을 높인다. 이 같은 빛의 압력으로 거울은 엔진의 피스톤 역할을 하며 움직인다. 또 이렇게 만들어진 엔진의 온도는 최고 15만도, 효율은 98%를 달성하는 것으로 실험 결과 나타났다.

안 교수는 “이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례”라며 “원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여했을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시했다는 점에서 의의가 크다”고 설명했다. 자세한 연구 결과는 ‘A photonic quantum engine driven by superradiance’ 논문에서 확인할 수 있다.

박준희 기자

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