■ 빛으로 작동하는 양자 엔진, 세계 첫 구현 성공

■ 빛으로 작동하는 양자 엔진, 세계 첫 구현 성공 

● 국내 공동 연구팀, ‘초방사’ 활용 양자 엔진 실물 구현 성공 

빛으로 동작하는 양자 엔진(양자 열기관. quantum heat engine)을 구현하는 데 국내 연구진이 세계 최초로 성공했다. 내연 기관에서 연료가 폭발할 때에 발생하는 압력의 힘으로 실린더 속 피스톤을 움직이는 것처럼 빛의 압력(광압)을 이용해서 엔진을 움직이게 하는 원리이다. 2022년 07월 22일 과학기술 정보통신부에 따르면, 서울대, 삼성종합기술원, 성균관대, 포스텍 공동 연구팀은 ‘초방사(超放射, superradiance)’를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다. 

초방사(超放射. super-radiance)란 들뜬 상태(excited state. 에너지가 높은 상태)의 원자들 간 결맞음이 발생하여 강한 빛을 내는 현상이며, 양자역학적으로 질서 정연하게 움직이는 밀도 높은 원자들이 집단으로 빛을 강하게 방출하는 현상으로 1954년 미국 물리학자 로버트 디키가 처음으로 예측했다. 그 동안 학계에서는 초방사 이후, 빛의 압력을 활용해서 양자 열기관을 구동할 수 있을 것이라는 이론 수준의 아이디어가 제안되어 왔다. 

그러나, 연구팀은 이 아이디어를 세계 최초로 실험을 통해 구현했다. 연구팀은 원자가 통과할 수 있는 아주 작고 얇은 일종의 ‘체’를 만들었다. 이 ‘체’는 10㎚(나노미터, 10억분의 1m) 두께의 실리콘 나이트라이드 박막에 가로 280㎚, 세로 190㎚ 크기의 구멍 1,000여 개를 체스 보드 패턴으로 뚫어 만들었다. 나노 구멍의 간격은 바륨 원자가 내는 빛의 파장인 791㎚로 설정했다. 

연구팀은 ‘체’에 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 상승시킨다. 이 같은 빛의 압력으로 거울은 엔진의 피스톤 역할을 하며 움직인다. 또한, 이렇게 만들어진 엔진의 온도는 최고 150,000℃, 효율은 98%를 달성하는 것으로 실험 결과 나타났다. 양자 역학 원리로 작동하는 양자 엔진은 고전 열역학 법칙을 따르는 것이 아니므로, 이론적으로는 고전 열역학 법칙에 따른 엔진(열기관)의 최대 효율인 '카르노(Carnot) 효율'을 넘어설 수도 있다고 연구팀은 설명했다. 

연구진은 “이번 연구 성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례”라며 “원자 물리 및 양자 정보 처리 등의 분야에 기여했을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시했다는 점에서 의의가 크다”고 설명했다. 이번 연구 결과는 광학 분야 유력 학술지인 ‘네이처 포토닉스’(Nature Photonics) ‘A photonic quantum engine driven by superradiance’ 논문에서 확인할 수 있다.