서울대학교는 물리천문학부 안경원 교수 연구팀이 독자적으로 단일 원자의 초방사 현상을 최초로 구현해 그 결과를 세계적 권위의 학술지 '사이언스'에 등재했다고 26일 밝혔다. 안 교수는 공진기 안에 원자를 하나씩 넣고 초방사를 발생시키는데 성공했다. 초방사가 일어나려면 좁은 공간에 많은 수의 원자가 밀집해 있어야 하는데, 안 교수팀은 공진기를 매개로 해 원자 하나로도 초방사를 발생시킬 수 있음을 처음으로 입증한 것이다. 이는 앞으로 문턱이 없는 레이저의 개발과 고효율 양자정보 처리에 도움이 될 것으로 기대된다.
안경원 교수 연구팀(제1저자 김준기 박사)이 독자적으로 수행한 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 사이언스(Science)지 12월 21일 자 온라인판(First Release)에 우선 게재됐다. 논문명은 'Coherent single-atom superrradiance'이다.
단일 원자 초방사의 개념도. 안경원 교수팀이 최초로 구현한 단일 원자의 초방사 현상은 문턱이 없는 고효율 레이저의 개발 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망된다. 서울대 제공
이번 연구 성과는 다양하게 응용될 것으로 전망된다. 양자중첩상태의 원자가 공진기를 하나씩 통과하면, 공진기 안에 있는 단일 원자와 이미 공진기를 통과한 원자들 사이에 강한 상호작용이 공진기를 통해 유도돼 초방사 현상이 발생하는 것이 관측됐다. 공진기가 빛을 가둘 수 있는 시간 동안 공진기를 통과한 원자 수의 제곱에 비례해 초방사가 발생했고, 그 결과 공진기 안에 많은 수의 광자가 축적되며 레이저 발진이 이뤄졌다.
일반 레이저의 경우 레이저 발진을 위해서는 일정 파워 이상으로 에너지를 공급해야 한다. 그러나 안 교수 팀의 연구에서는 초방사에 의해 레이저 발진이 이뤄지기 때문에 이러한 문턱이 존재하지 않는다. 따라서 이번 연구 결과는 앞으로 문턱이 없는 고효율 레이저의 개발에 활용될 것으로 전망된다. 아울러 고효율로 원자의 양자 중첩상태를 빛의 중첩상태로 전달할 수 있기 때문에 고효율 양자정보 처리에도 도움이 될 것으로 보인다.이규화 선임기자 david@dt.co.kr
