과기정통부는 안경원 서울대 물리천문학부 교수 연구팀이 ‘빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진’을 세계 최초로 구현하고 연구 성과를 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’에 게재했다고 22일 밝혔다. 양자역학 현상인 ‘초방사 현상’은 밀도가 높은 원자들에서 빛의 방출속도가 원자 수의 제곱에 비례해 빨라지는 현상을 의미한다.
초방사 현상 상태에서는 원자에서 방출된 빛들이 서로 보강간섭을 일으키며 강한 빛을 일으킨다.
이러한 원리를 이용하는 양자 엔진은 고전 열역합 법칙으로 설명할 수 없다. 때문에 열역학법칙에 의한 최대 효율을 넘어설 수 있다는 것으로 알려졌다.
초방사 현상을 이용한 양자 엔진도 이론적으론 제안 됐으나 실험적으로 구현된 적은 없었다.
안 교수 연구팀은 초방사 양자 엔진(그림)을 구현하기 위해 10㎚ 크기의 구멍 1000개가 뚫린 격자를 사용했다. 이 격자로 초속 800m의 바륨 원자빔을 쐈다.
원자빔의 진행 방향과 수직 방향으로는 상태 제어용 레이저를 쐈다.
나노 크기 구멍의 격자를 지난 바륨 원자가 주파수를 조절한 레이저와 마주하자 초방사 상태가 발생했다. 초방사 상태에서 빛의 압력 차이가 생겼다. 빛의 압력은 거울을 이용해 측정했다.
실험 결과 빛의 압력에 의해 양자 엔진의 온도는 영상 15만도 까지 올라갔다. 엔진 효율은 98%에 달했다.
안 교수는 “이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례”라며 “원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절해 초방사 현상을 제어하는 기술을 개발하며 양자물리 분야에 기여했다는 점에서 의미가 크다”고 했다.