[연구필요성]
초방사란 양자역학적으로 결맞은 원자들이 집단적으로 행동하여 빛을 강하게 방출하는 현상이다. 최근 초방사를 활용한 양자 엔진이 이론적으로 제안되고 있으나 실험적으로 구현되지는 못했다. 특히, 연료에 저장된 양자 결맞음을 역학적 일, 즉 운동 에너지로 변환시킬 수 있다는 것이 약 20여년 전 이론적으로 예견된 바 있으나 지금까지 실험적으로 입증된 적이 없었다.
[연구성과/기대효과]
연구팀은 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 세계최초로 구현하였다. 원자빔으로 구성된 연료가 갖는 양자 결맞음을 초방사를 통해 역학적 에너지로 변환시키는 최초의 엔진이다. 원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절하여 초방사 현상을 제어하는 기술개발을 통해 원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다. 양자역학적 열전달을 높이거나 양자결맞음에 의해 구동되는 역학장치의 개발로 이어질 수 있다.
[본문]
초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동하며, 엔진의 동작을 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 하는데 지금까지 그러한 제어가 불가능했다. 연구팀은 나노 구멍이 파장 간격으로 뚫린 나노 구멍 격자에 원자빔을 통과 시킨 후 진행파 펌프 레이저로 원자들을 양자 중첩상태로 여기시키고, 이러한 원자들이 두 개의 거울로 구성된 공진기 안에서 초방사를 일으키도록 함으로써, 거울이 빛의 압력을 받아 엔진의 피스톤 역할을 하는 실험장치를 구성하였다. 이때, 펌프 레이저로 원자들의 양자위상을 제어하여 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 하였다.
연구팀은 이러한 방법을 이용하여 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 가열, 팽창(초방사 과정), 냉각, 수축(열광자 방출 과정) 등의 4행정 과정을 잘 따르는 것을 확인하였다. 팽창과정에서 엔진의 온도는 15만도까지 올라갔고 그에 따른 엔진 효율이 98%에 이르렀는데, 이는 기존 양자엔진 연구에서 엔진 온도가 최고 1만도, 엔진 효율이 48%였던 것과 큰 대비를 보였다.
이번 연구결과는 광학분야 최고 권위지인 Nature Photonics 최신호에 출판되었다. 본 연구는 연구재단 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
○ 논문명: A photonic quantum engine driven by superradiance (Nature Photonics 2022)
○ 저자: 김진욱(제1저자/서울대), 오승훈(공동저자/서울대). 양대호(공동저자/삼성종기원),
○ 저자: 김진욱(제1저자/서울대), 오승훈(공동저자/서울대). 양대호(공동저자/삼성종기원), 김준기(공동저자/성균관대학교), 이문주(공동저자/포항공대), 안경원(교신저자/서울대)
○ Link: https://www.nature.com/articles/s41566-022-01039-2
[연구결과 의의]
이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례로서, 원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절하여 초방사 현상을 제어하는 기술개발을 통해 원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다는데 의의가 있다.
[연구결과]
A photonic quantum engine driven by superradiance
Jinuk Kim, Seung-hoon Oh, Daeho Yang, Junki Kim, Moonjoo Lee and Kyungwon An
Performance of nano- and microscale heat engines can be improved with the help of quantum-mechanical phenomena. Recently, heat reservoirs with quantum coherence have been proposed to enhance engine performance beyond the Carnot limit even with a single reservoir. However, no physical realizations have been achieved so far. Here we report the first proof-of-principle experimental demonstration of a photonic quantum engine driven by superradiance employing a single heat reservoir composed of atoms and photonic vacuum. Reservoir atoms prepared in a quantum coherent superposition state underwent superradiance as they traversed the cavity. This led to about 40-fold increase in the effective engine temperature, resulting in near-unity engine efficiency. Moreover, the observed engine output power grew quadratically with respect to the atomic injection rate. Our work can be utilized in quantum-mechanical heat transfer as well as in boosting engine powers, opening a pathway to the development of photomechanical devices that run on quantum coherence embedded in heat baths.
[용어설명]
- ○초방사는 여기된 원자들이 집단적으로 결맞게 빛과 상호 작용할 때 발생하는 현상으로 원자수의 제곱에 비례하여 강한 빛을 낸다.
- ○양자 역학에서 모든 물체는 파동과 같은 속성을 가지고 있어 간섭할 수 있는데 물체들의 파동이 시간과 공간에 대하여 서로 같은 위상을 가지고 있음을 의미한다.
- ○양자 엔진은 그 작동 메커니즘이 양자 역학의 법칙으로 설명되는 엔진을 말한다.
[그림설명]
a, 초방사 현상 기반 양자 엔진의 개념도. 원자빔, 광자, 거울이 각각 열원(연료), 일을 하는 가스, 피스톤의 역할을 한다. b, 엔진 사이클을 보여주는 데이터. 오른쪽은 양자결맞음 조작이 없는 경우로서 일을 하지 못하는 반면 왼쪽은 양자결맞음을 켜고 끄는 과정이 포함되어 일을 할 수 있음을 보여준다.