빛으로 동작하는 양자엔진 세계 최초 구현
엔진의 효율 향상 가능성 열어
초방사(超放射, superradiance)란 양자역학적으로 질서정연하게 구성·행동하는 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상이다. 초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동하며, 엔진의 동작을 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 한다. 하지만 지금까지는 이러한 제어가 불가능했다.
이에 연구팀은 다수의 원자들이 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들었다. 이를 통해 양자위상을 직접 제어하면, 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안했다.
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 했다. 거울은 빛의 압력을 받아 일을 하는 엔진의 피스톤 역할을 하도록 실험장치를 구성했다.
이때 레이저를 통해 원자들의 양자위상을 제어해 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 했다.
연구팀은 이러한 방법을 이용해 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 가열, 팽창, 냉각, 수축 등에 따라 양자엔진이 잘 동작하는 것을 관측했다고 밝혔다.
또한 팽창과정에서 엔진의 온도는 15만 도까지 올라갔고 그에 따른 엔진 효율은 98%에 달했다. 이는 기존 연구에서 엔진 온도가 최고 1만도, 엔진 효율이 48%였던 것과 큰 대비를 보인다고 했다.
한편, 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구) 등의 지원으로 수행했다.
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