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빛으로 동작하는 양자 엔진 세계 최초 구현

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빛으로 동작하는 양자 엔진 세계 최초 구현

- 엔진의 효율을 획기적으로 향상할 수 있는 가능성 열어 (네이처 포토닉스지 게재) -





□ 과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 안경원 교수 연구팀(서울대학교 물리천문학부)이 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 세계 최초로 구현했다고 밝혔다.



 ○ 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 7월 22일 게재되었다.



□ 초방사(超放射, superradiance)란 양자역학적으로 질서정연하게 구성·행동하는 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상으로,



 ○ 초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동하며, 엔진의 동작을 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 하는데 지금까지는 그러한 제어가 불가능했다.



□ 이에 연구팀은 다수의 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들고 그들의 양자위상을 직접 제어하면, 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안하여 연구를 진행하였다.



 ○ 연구팀은 체스판 모양의 나노 구멍 격자를 통과한 일부 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만든 후, 이러한 원자들이 두 개의 거울로 구성된 공진기 안에서 빛을 내도록 했으며, 거울은 빛의 압력을 받아 일을 하는 엔진의 피스톤 역할을 하도록 실험장치를 구성하였다.



 ○ 이때, 레이저를 통해 원자들의 양자위상을 제어하여 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 하였다.



□ 연구팀은 이러한 방법을 이용하여 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 가열, 팽창, 냉각, 수축 등에 따라 양자엔진이 잘 동작하는 것을 관측하였다.



 ○ 팽창과정에서 엔진의 온도는 15만도까지 올라갔고 그에 따른 엔진 효율이 98%에 달하여, 기존 연구에서 엔진 온도가 최고 1만도, 엔진 효율이 48%였던 것과 큰 대비를 보였다.



□ 서울대학교 안경원 교수는 “이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례”라고 밝히며,



 ○ “원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절하여 초방사 현상을 제어하는 기술개발을 통해 원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다는 점에서 의의가 크다.”라고 설명했다.

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