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서울대 연구팀, 빛으로 작동하는 '양자엔진' 세계 첫 구현

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황남서솔 22-07-22 01:17 0회 0건

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안경원 물리·천문학부 교수 연구팀, 네이처 포토닉스 논문(서울=연합뉴스) 문다영 기자 = 국내 연구진이 빛으로 동작하는 양자 엔진(양자 열기관·quantum heat engine)을 세계 최초로 구현했다.22일 과학기술정보통신부(과기정통부)에 따르면 안경원 서울대 물리·천문학부 교수가 이끄는 연구팀이 초방사(超放射, superradiance)를 활용한 양자 엔진을 실물로 구현하는 데 성공했다.연구 결과는 광학 분야 유력 학술지 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 실렸다.초방사란 들뜬 상태(excited state·에너지가 높은 상태)의 원자들 간 결맞음이 발생하며 강한 빛을 내는 현상이다.그간 학계에서는 초방사 이후 빛의 압력(광압)을 활용해 양자 열기관을 구동할 수 있을 것이라는 이론 수준의 아이디어가 제안돼왔다. 안 교수 연구팀은 이 아이디어를 세계 최초로 실험을 통해 구현했다.



초방사 열기관 구현을 위한 실험모식도모식도에서 주황색 총알 모양의 원자가 y축 방향으로 날아간다. 나노구멍 격자막을 통과한 원자는 상태 제어용 레이저(자홍색 빛)에 의해 강한 빛을 방출할 수 있는 초방사 상태(양자중첩상태)로 준비된다. [네이처 논문 캡처. 재판매 및 DB 금지]연구팀은 우선 원자가 통과할 수 있는 아주 작고 얇은 일종의 '체'를 만들었다.체는 10㎚(나노미터) 두께의 실리콘 나이트라이드 박막에 가로 280㎚, 세로 190㎚ 크기의 구멍 1천여 개를 체스보드 패턴으로 뚫어 만들었다. 나노구멍의 간격은 바륨 원자가 내는 빛의 파장인 791㎚로 했다.연구팀은 체에 초속 800m의 바륨 원자 빔을 입사시키고, 수직 방향으로는 상태 제어용 레이저를 쐈다.이때 구멍을 통과하는 원자들은 양자중첩상태에서 동일한 위상을 갖게 되면서 보강간섭을 일으키고, 초방사할 준비를 하게 된다.이후 원자는 공진기를 통과하며 빛을 방출하고, 빛은 엔진 내부 양쪽에 설치된 거울을 약 100만 번 오가며 거울에 작용하는 압력(광압)을 높인다. 압력이 높아지면 공진기가 팽창한다.한편, 수축할 때에는 공진기와 레이저의 상대적인 주파수를 조절해 원자 간 결맞음이 일어나지 않게 했다. 그러면 원자 파동 간 상쇄간섭이 일어나며 공진기가 냉각된다.빛의 압력으로 거울은 엔진의 피스톤 역할을 하며 움직인다. 이렇게 만들어진 엔진의 온도는 최고 15만도, 효율은 98%를 달성하는 것으로 실험 결과 나타났다.연구팀은 레이저를 활용해 원자들의 양자 위상을 정밀하게 제어함으로써, 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 조절할 수 있음을 실제 실험을 통해 보였다.양자역학 원리로 작동하는 양자 엔진은 고전 열역학 법칙을 따르는 것이 아니므로, 이론적으로는 고전 열역학법칙에 따른 엔진(열기관)의 최대 효율인 '카르노(Carnot) 효율'을 넘어설 수도 있다고 연구팀은 설명했다.안경원 교수는 "이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례"라며 "원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다는 점에서 의의가 크다"고 설명했다.자세한 연구 결과는 'A photonic quantum engine driven by superradiance' 논문에서 확인할 수 있다.zero@yna.co.kr
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[서울=뉴시스] 윤석열 대통령이 21일 서울 용산 대통령실 청사에서 박진 외교부 장관으로부터 업무보고를 받고 있다. (사진=대통령실 제공) 2022.07.21. photo@newsis.com[서울=뉴시스]박미영 양소리 최서진 기자 = 윤석열 대통령은 21일 외교부에 IPEF(인도태평양경제프레임워크) 가입 등 미국 중심 공급망 협력에 대해 중국이 오해하지 않도록 적극적인 대중 외교를 하라고 주문했다. 또 한일 관계 개선에 대한 강한 의지를 보이면서 공동 이익에 부합하는 신뢰 관계를 구축하라고 지시했다.박진 외교부 장관은 이날 용산 대통령실 청사에서 윤 대통령에 업무 보고 후 브리핑룸을 찾아 취재진에 윤 대통령의 지시 사항을 전했다.박 장관은 "윤 대통령에 2시간30분 가량 보고를 했다"며 "윤 대통령은 국제 사회의 책임 있는 주체가 된 적극 외교를 주문했고, 각국별 관계 발전에 대해 질문과 답변을 했다. 또 한미 외교를 중심으로 4강 외교를 이어가고 글로벌 외교를 추진한다는 시각에서 많은 토의를 했다. 이를 통한 국익의 극대화를 강조했다"라고 전했다.이어 "무엇보다 윤 대통령은 경제 외교가 중요하기 때문에 원전, 방산, 인프라 진출 등에 대해 현실적인 선택지와 또 국가와의 관계에서 어떤 것을 할 수 있을지를 이야기했고, 대통령은 경제를 위해서라면 어디든지 갈 수 있다고 했다"고 말했다.박 장관은 대중 외교와 관련해 "중국에 대해서도 많은 이야기를 했다. 한국과 중국이 많은 역사를 나눈 나라로, 성숙한 관계를 만들 방안에 대해 토의했다"고 했다.이어 "윤 대통령은 중국은 큰 경제 상대국이고 환경, 보건, 의료, 미세먼지 등 협력할 사안이 많고 특히 한국이 IPEF에 들어가는 게 특정국가를 배제하는 게 아니고 한국의 이익을 위한 것이라고, 중국이 오해하지 않도록 적극적인 외교를 주문했다"고 밝혔다.박 장관에 따르면 윤 대통령은 이날 업무 보고에서 한일 관계 개선에 강한 의지를 표했다고 한다.박 장관은 "윤 대통령은 한국과 일본 양국이 공동 이익에 부합하는 신뢰 관계를 만들어야 한다고 생각한다"며 "외교부는 그런 시각을 갖고 합리적 문제 해결을 모색하려 노력할 것"이라고 말했다.이어 "강제 징용 배상은 한일의 주요 현안으로, 이런 현안에 대해 한일 관계 개선을 위한 합리적 개선 방안이 필요하다 생각한다"며 "특히일본이 우려하는 현금화(강제적 자산 매각)에 대해서도 피해자의 고령화를 감안했을 때 조속히 해결해야 하고 일본이 성의 있는 호응 조처를 하는게 중요하다"고 강조했다.또 위안부 합의와 관련해선 "2015년 합의는 양국 합의로 존중해야 한다"며 "가장 중요한 건 합의 정신으로, 피해자의 명예와 존엄을 회복하고 마음의 상처 치유가 우선인 만큼 이 합의 정신에 따라 이 문제를 해결할 것"이라고 말했다.이날 업무 보고에 대해 전문가는 조 바이든 미국 대통령의 방한으로 한미 관계는 일정 부분 정리가 됐지만 중국·일본과의 관계 설정은 남은 과제라고 평가했다.양무진 북한대학대학원 교수는 뉴시스에 "9월 시진핑 주석이 연임하게 되면 중국이 IPEF 가입 등 한국 정부의 대미 경사적 태도를 문제삼을 가능성이 있다"고 바라봤다. 양 교수는 한일 관계에 대해서도 아베 신조 전 총리의 사망과 평화 헌법 개정 등 일본의 우경화 움직임 속에서 개선이 쉽지 않을 것이라고 관측했다.이원덕 국민대 일본학과 교수는 박 장관의 방일 등 관계 개선 움직임을 환영하면서도 "피해자들의 의견이 모아지지 않는 상황에서 현금화 전 해결책을 내놓는 것은 현실적으로 어렵다"고 설명했다.이 교수는 일본 기업의 자산 매각에 대한 대법원 최종 판결을 막을 수 없는 만큼 현금화 이후 일본 기업의 재산상 손실을 막는 방법도 고려해볼 필요가 있다고 강조했다.최근 탈북 어민 북송과 서해 공무원 피살 사건 등이 불거지면서 남북 관계 여건 역시 좋지 않으리란 전망이 나왔다.양무진 교수는 "선비핵화 정책이라면 비핵화 협상 재개도 난망"이라며 "게다가 북송 문제 등으로 북한이 대화의 장에 나올 가능성이 희박한데, '담대한 계획'은 계획을 위한 계획에 그칠 가능성이 있다"고 지적했다.

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