빛 완벽 흡수하는 초흡수 현상
빛 완벽 흡수하는 초흡수 현상
  • 함예솔
  • 승인 2021.03.08 23:55
  • 조회수 419
  • 댓글 0
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빛을 빠르게 모조리 흡수하는 초흡수 현상을 국내 연구진이 처음으로 구현했습니다. 초흡수 현상은 빛이 빠르게 방출되는 초방사 현상에 가려져서 관측 자체가 어려웠습니다. 

초흡수 구현을 위한 실험(초방사 현상의 시간역행을 위한 광학적 설계) 모식도. 출처: 한국연구재단
초흡수 구현을 위한 실험(초방사 현상의 시간역행을 위한 광학적 설계) 모식도. 출처: 한국연구재단

서울대학교 안경원 교수 연구팀이 초방사 현상의 시간역행을 통해 초흡수 현상을 실험적으로 구현해냈다고 밝혔습니다. 빛을 보통보다 더 빠르고 완벽하게 흡수하는 초흡수 현상이 가능하다면 식물의 광합성이나 태양전지에서의 빛에너지 수확 효율을 높이게 됩니다. 또한 광자를 이용한 양자정보처리 효율이 향상됩니다. 천체 관측을 위한 미세한 광신호 감지 등을 위한 실마리가 될 수 있습니다. 해당 연구는 'Nature Photonics'에 게재됐습니다. 

 

빛 에너지 하베스팅, 미세신호 관측 성능향상 

 

초흡수(superabsorption)란 결맞은 양자중첩상태로 존재하는 원자들의 상호작용에 의해 빛의 흡수속도가 빨라지는 현상을 지칭합니다. 초흡수의 어원은 초방사(superradiance)에서 기원합니다. 1954년 미국의 물리학자 디키(Robert H. Dicke)는 밀도가 높은 원자 들에서 빛의 방출 속도가 원자 수의 제곱에 비례해 빨라지는 현상이 존재할 수 있음을 예측하고 이를 초방사로 명명한 바 있습니다.

 

양자역학적으로 연관된 특정 상태의 원자들이 강한 빛을 내는 초방사 현상은 이미 실험적으로 구현됐지만, 동일한 상태에서 나타날 수 있는 초흡수 현상은 관측되지 않았습니다. 초방사에 의해 초흡수가 가려지기에 관측하기 어려웠던 겁니다. 연구팀은 초방사현상과 초흡수현상이 동일한 상태의 원자들에서 나타날 수 있으며 서로 시간 역과정이라는 점에 착안했습니다. 초방사를 일으킬 수 있는 초방사 상태의 원자들을 제어해 마치 시간을 되돌리듯 빛을 빠르게 흡수하는 초흡수 현상을 실험적으로 유도한 겁니다. 

초흡수의 근거. 출처: 한국연구재단
초흡수의 근거. 출처: 한국연구재단

시간역행을 위해서는 원자상태의 위상을 제어하는 기술이 이용됐습니다. 체스판 모양의 나노구멍 격자를 통과한 일부 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 상태(양자역학적 중첩상태)로 만든 후, 원자상태의 위상을 주변 빛의 위상과 반대가 되도록 조절해 초방사를 되돌린 초흡수 현상이 일어나도록 한 겁니다. 

초흡수가 원자수의 제곱에 비례한다는 근거. 출처: 한국연구재단
초흡수가 원자수의 제곱에 비례한다는 근거. 출처: 한국연구재단

실제 10개 정도의 원자로 초흡수 현상을 구현해 일반 흡수보다 10배 정도 빠르게 빛을 100% 흡수하는 것을 관측했습니다. 특히 빛의 세기가 약할수록 일반흡수보다 흡수속도가 더욱 빨라지는 것이 관측됐습니다. 

 

이는 에너지수확이나 양자정보처리의 효율향상이나 섬세한 광신호 감지를 통한 천체관측을 위한 기초자료가 될 것으로 기대됩니다. 이를 위해 연구팀은 원자상태를 제어할 수 있는 공진기 내부가 아닌 자유공간에서의 초흡수 현상 구현 연구를 지속할 계획입니다. 


##참고자료##

 


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