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서울대 연구팀, 빛으로 작동하는 양자 엔진 구현…'세계 최초'

원자가 빛을 방출하는 '초방사 현상' 이용
"엔진 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것"

(서울=뉴스1) 윤지원 기자 | 2022-07-22 00:00 송고
22일 과학기술정보통신부는 안경원 서울대 교수 연구팀의 성과가 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재됐다고 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구사업의 지원으로 수행됐다.(과기정통부 제공) © 뉴스1

서울대학교 연구팀이 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 세계 최초로 구현했다. 이번 연구로 고성능 엔진 개발의 길이 열릴 전망이다.

22일 과학기술정보통신부는 안경원 서울대 교수 연구팀의 성과가 국제학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재됐다고 밝혔다. 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구사업의 지원을 받아 진행됐다. 

초방사란 양자역학적으로 질서정연하게 구성·행동하는 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상을 말한다. 이를 활용한 초방사 양자 엔진은 열역학 법칙을 넘어서는 높은 효율을 낼 수 있기 때문에 향후 고성능 엔진 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

이때 초방사 양자 엔진이 작동하기 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 했는데 그간 자유로운 제어가 불가능했다.

이에 안 교수 연구팀은 양자들이 초방사를 일으킬 수 있도록 중첩 상태로 만들고 양자 위상을 직접 제어하는 방법을 연구했다.

우선 연구팀은 체스판 모양의 나노 구명 격자를 사용해 이를 통과한 일부 원자들을 초방사 현상을 일으킬 수 있는 상태로 만들었다. 이후 두개의 거울로 구성된 공진기(특정 주파수의 파나 진동을 끌어내는 장치) 안에서 빛을 내도록 했다.

이때 레이저를 통해 원자들의 양자 위상을 제어해 빛을 방출하는 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 했다.

연구팀은 이를 이용해 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 양자 엔진이 정상 작동하는 것을 관측했다. 특히 기존 연구에서는 엔진 효율이 48%에 불과했던 것과는 달리 이번에는 효율이 98%에 달하는 것으로 나타났다.

안 교수는 "이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례"라며 "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"고 밝혔다.


g1@news1.kr

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