부경대·한양대·기초과학연구원 공동연구팀, ‘양자스카 상태’ 최초 규명

국립부경대와 한양대, 기초과학연구원(IBS) 공동연구팀이 광결정 양자 카오스(혼돈)계에 안정적인 상태가 존재하는 역설적인 ‘양자스카 상태’를 처음 규명하는 데 성공했다.

광결정에서 구현한 양자스카 상태 모식도

15일 부경대에 따르면 물리학과 박희철 교수와 한양대 물리학과 박문집 교수, IBS 복잡계이론물리연구단 이창환 박사가 참여한 공동연구팀이 최근 이와 같은 연구 결과를 담은 논문 ‘Bloch Theorem Dictated Wave Chaos in Microcavity Crystals’를 광학 분야 국제학술지 Light: Science & Applications에 발표했다.

물리학에서는 위치에너지가 높은 물체는 안정된 위치로 낙하하는 것이 상식이다. 물체가 힘의 평형을 이뤄 움직임이 없는 안정적인 고정점과 조금만 벗어나도 힘의 평형이 깨지는 불안정한 고정점 두 가지로 구분한다.

반면 양자역학에서는 입자-파동 이중성에 의한 간섭현상으로 불안정한 고정점에서도 안정적으로 입자가 위치할 수 있다고 제안된 바 있는데, 이 같은 흥미로운 양자상태를 ‘양자스카 상태’라고 한다.

복잡한 양자혼돈계에서 외부 간섭에도 안정한 양자스카 상태를 구현할 수 있다면 양자 센싱 등 양자기술에 활용할 수 있어 마이크로 공진기 내부의 불안정한 고정점에 광자를 가두는 방식으로 양자스카 상태를 구현하려는 시도가 물리학계에서 이어지고 있다.

왼쪽부터 박희철 부경대 교수, 박문집 한양대 교수, 이창환 기초과학연구원 박사. 부경대 제공

공동연구팀은 여러 개의 공진기를 격자구조로 배열한 광결정에서 양자스카 상태의 존재를 이론적으로 규명해냈다. 여러 개의 공진기가 상호작용하는 광결정을 이용하면 빛의 움직임을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에 착안, 혼돈과 주기성을 조합해 공진기 배열에서 혼돈 상태의 동적 국소화를 제어할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시했다.

학계에서는 지금까지 단일 공진기에서 양자스카 상태가 제안된 적은 있으나, 여러 개의 공진기가 연결된 광결정 구조에서 제안된 것은 이번이 처음이다.

박희철 교수는 “양자혼돈과 공간적인 규칙성의 융합은 양자혼돈을 효과적으로 제어하는 방법”이라며 “양자를 들여다보고 제어할 수 있는 창이 될 수 있으며, 양자기술에 폭넓게 활용되는 새로운 양자 플랫폼이 될 것”이라고 말했다.

부산=오성택 기자 fivestar@segye.com