양자 중첩 원리 이용, 세계 최초 개발 성공 "양자 엔진"

포스텍, 서울대, 성균관대, 삼성종합기술원이 공동으로 빛으로 동작하는 양자 엔진을 개발하는 데 세계 최초로 성공했다. 내연기관에서 연료가 폭발할 때  발생하는 압력의 힘으로 실린더 속 피스톤을 움직이는 것처럼 빛의 압력을 이용해 엔진을 움직이게 하는 원리를 개발 성공했다.

양자 중첩성을 설명하는 만화

국내 연구진이 원자가 빛을 내뿜는 초방사 현상을 이용해 작동하는 양자 엔진을 만드는 것을 포스텍, 서울대, 성균관대, 삼성종합기술원 공동연구팀의 노력의 결실이다. 이번 연구 결과는 광학분야 국제학술지 네이처 포토닉스 7월 22일 자에 실렸다.

과학기술정보통신부에 따르면  안경원 서울대 천문학부 교수가 이끄는 연구팀이 초방사를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다. 초방사란 에너지가 높은 상태의 원자들 간 결맞음이 발생하며 강한 빛을 내는 현상을 말한다. 학계에서는 초방사 이후 빛의 합력을 활용해 양자 열기관을 구동할 수 있을 것이라는 이론 수준의 아이디어를 발표해 왔다. 안경원 교수는 이론 수준의 아이디어를 세계 최초로 실험을 통해  개발했다.

초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동한다. 엔진이 정상적으로 동작하기 위해서는 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩 상태로 만든다는 점에 착안했다. 이를 위해 연구팀은 10 나노미터 두께의 실리콘 박막에 가로 280 나노미터, 세로 190 나노미터의 나노 구멍 1000개를 체스판 패턴으로 만들었다. 이 나노 구멍 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 했다. 특히 평창 과정에서 엔진 온도가 15만도 까지 올라가면서 효율이 98%까지 높아지는 것이 관찰되었다. 연구팀은 이번 연구가 실험실에서 수행한 소규모 기초 연구이지만 초방사 양자 엔진의 가능성을 실험적으로 보여줌으로써 열역학 법칙을 넘어 고효율로 일하는 고성능 엔진 개발에 도움을 줄 것으로 설명했다.

안경원 교수는 이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 개발한 첫 사례라며 원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여했을 뿐 아니라 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시했다는 점에서 의의가 크다고 설명했다.

[Aphotonic quantum engine driven by supenadiance(초 방사능 의해 구동하는 광자 양자 엔진) 논문에서 확인할 수 있다]