KISTI의 과학향기

서울대 안경원 교수 연구팀이 양자 중첩 상태의 원자들이 상호 작용해 빛의 흡수 속도가 매우 빨라지는 ‘초흡수’ 현상을 실험으로 증명했다.

 

양자 중첩 상태는 원자의 에너지 준위가 바닥인 상태와 역위인 상태가 선형합(중첩)으로 존재하는 상태이다. 일반적인 상태의 원자들은 각자 독립적으로 행동하지만, 양자 중첩 상태의 원자들은 동시에 하나의 원자처럼 행동함으로써 일반 상태보다 빛을 빠르게 모두 흡수할 수 있다.

 

이 같은 초흡수 현상은 현재까지 실험적으로는 증명된 바 없다. 양자역학적으로 연관된 원자들에서 빛의 방출 속도가 강해지는 초방사 현상이 실험을 통해 입증되면서, 동일한 상태에서 이론적으로 초흡수 현상도 가능하다는 예측만 있을 뿐이었다.

 

원자들이 빛을 빠르게 방출하는 초방사 현상에 가려 초흡수 현상은 관측하기 어려웠다. 연구팀은 초방사 상태의 원자들을 제어해 마치 시간을 되돌리듯 빛을 빠르게 흡수하는 현상을 실험적으로 유도했다.

 

시간 역행을 위해 원자 상태의 위상을 제어하는 기술을 이용했다. 수 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 크기 구멍의 격자를 통과한 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자역학적 중첩 상태로 만든 뒤 수학적으로 반대되는 위상의 빛을 제어하는 데 성공했다.

 

실제 10개의 원자로 초흡수 현상을 구현해 일반 빛 흡수보다 10배 빠르게 빛을 100% 흡수하는 것을 관측했다. 태양광을 이용한 에너지 하베스팅(일상생활에서 버려지는 자투리 에너지를 수확해 전원으로 활용하는 기술), 광자를 이용한 양자정보처리 효율 향상 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.