서울대-삼성종기원-성균관대-포스텍 공동 연구팀
초방사 현상을 이용해 작동하는 양자 엔진 구현 성공
열역학적 엔진 효율 넘어서는 고효율 엔진 제작 기대

국내 연구진이 원자가 빛을 내뿜는 초방사 현상을 이용해 작동하는 양자엔진을 만드는 것에 처음 성공해 주목받고 있다.

서울대, 삼성종합기술원, 성균관대, 포스텍 공동 연구팀이 빛으로 작동하는 양자 엔진을 실제로 구현했다. 이번 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’ 7월 22일자에 실렸다.

초방사(超放射·super-radiance)는 양자역학적으로 질서정연하게 움직이는 밀도 높은 원자들이 집단으로 빛을 강하게 방출하는 현상으로 1954년 미국 물리학자 로버트 디키가 처음으로 예측했다. 일반적인 방사 현상과는 달리 초방사는 각각의 원자에서 방출된 빛들이 보강간섭(합쳐지면서 더 강해지는 현상)을 일으켜 강한 빛을 방출한다.

양자엔진은 양자 중첩상태로 준비된 연료로 동작한다. 고전 열역학 법칙에 따라 작동하는 일반 엔진의 최대 효율(카르노 효율)을 넘어설 수 있다는 것이 이론적으로 밝혀졌다. 이 때문에 최근에는 초방사 현상을 이용해 양자영역에서 동작하는 엔진에 대한 아이디어가 나왔지만 실험적으로 구현된 적은 한 번도 없다.

초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동한다. 엔진이 정상적으로 동작하기 위해서는 초방사 현상을 켜고 끄는 것이 가능해야 하지만 지금까지는 제어 기술이 없었다.

연구팀은 많은 원자들이 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만든 다음 양자 위상(위치나 형태)을 제어하면 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안했다. 이를 위해 연구팀은 10㎚(나노미터) 두께의 실리콘 박막에 가로 280㎚, 세로 190㎚의 나노구멍 1000개를 체스판 패턴으로 만들었다. 이 나노구멍 격자에 초속 800m로 바륨 원자광을 쏘아 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩 상태로 만들고 두 개의 거울로 구성된 공진기 안에서 빛을 내도록 했다. 거울은 빛의 압력으로 움직이는 엔진의 피스톤 역할을 한다.

연구팀은 레이저를 이용해 원자들의 양자위상을 제어해 원자들이 빛을 강하게 방출하는 초방사 현상을 빠른 속도로 켜고 끌 수 있게 했다. 이 방법으로 빛의 압력에 의해 가열, 팽창, 냉각, 수축에 따라 양자엔진이 작동하는 것을 확인했다.

특히 팽창 과정에서 엔진 온도가 15만도까지 올라가면서 효율이 98%까지 높아지는 것이 관찰됐다. 연구팀은 이번 연구가 실험실에서 수행한 소규모 기초 연구이지만 초방사 양자엔진의 가능성을 실험적으로 보여줌으로써 열역학 법칙을 넘어 고효율로 일하는 고성능 엔진 개발에 도움을 줄 것으로 기대했다.

연구를 이끈 안경원 서울대 물리천문학부 교수는 “이번 연구는 빛으로 작동하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현해 낸 첫 번째 사례라는 점”이라며 “초방사 현상 제어 기술을 통해 원자물리, 양자정보처리 분야는 물론 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시했다”고 설명했다.