빛을 완벽하게 흡수하는 초흡수 현상 최초 구현
양자정보처리, 빛 에너지 하베스팅, 미세신호 관측 성능향상 기대
□ 빛을 빠르게 모조리 흡수하는 초흡수 현상이 국내 연구진에 의해 처음으로 구현됐다. 초흡수 현상은 빛이 빠르게 방출되는 초방사 현상에 가려져서 관측 자체가 어려웠다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 안경원 교수(서울대학교) 연구팀이 초방사 현상의 시간역행을 통해 초흡수 현상을 실험적으로 구현해냈다고 밝혔다.
○ 빛을 보통보다 더 빠르고 완벽하게 흡수하는 초흡수 현상이 가능하다면 식물의 광합성이나 태양전지에서의 빛에너지 수확 효율을 높이는 한편 광자를 이용한 양자정보처리 효율향상이나 천체관측을 위한 미세한 광신호 감지 등을 위한 실마리가 될 수 있다.
□ 양자역학적으로 연관된 특정 상태의 원자들이 강한 빛을 내는 초방사 현상은 이미 실험적으로 구현되었지만, 동일한 상태에서 나타날 수 있는 초흡수 현상은 관측되지 않았다. 초방사에 의해 초흡수가 가려지기에 관측하기 어려웠던 것이다.
□ 연구팀은 초방사현상과 초흡수현상이 동일한 상태의 원자들에서 나타날 수 있으며 서로 시간 역과정이라는 점에 착안하였다.
○ 초방사를 일으킬 수 있는 초방사 상태의 원자들을 제어해 마치 시간을 되돌리듯 빛을 빠르게 흡수하는 초흡수 현상을 실험적 으로 유도한 것이다.
□ 시간역행을 위해서는 원자상태의 위상을 제어하는 기술이 이용되었다. 체스판 모양의 나노구멍 격자를 통과한 일부 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 상태(양자역학적 중첩상태)로 만든 후, 원자상태의 위상을 주변 빛의 위상과 반대가 되도록 조절하여 초방사를 되돌린 초흡수 현상이 일어나도록 한 것이다.
□ 실제 10개 정도의 원자로 초흡수 현상을 구현하여, 일반 흡수보다 10배 정도 빠르게 빛을 100% 흡수하는 것을 관측하였다.
○ 특히 빛의 세기가 약할수록 일반흡수보다 흡수속도가 더욱 빨라지는 것이 관측되었다.
□ 이는 에너지수확이나 양자정보처리의 효율향상이나 섬세한 광신호 감지를 통한 천체관측을 위한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
○ 이를 위해 연구팀은 원자상태를 제어할 수 있는 공진기 내부가 아닌 자유공간에서의 초흡수 현상 구현 연구를 지속할 계획이다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 삼성미래기술육성사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학분야 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 온라인판에 3월 2일 게재되었다
