'광자 시간 결정' 자발방출 증폭 입증…세계 최고 학술지 게재
기존 사이언스지 논문 뒤집어…양자컴퓨터 개발 가속화 전망

국내 연구진이 물리학계 기존 이론을 뒤집는 발견을 세계 최고 권위 학술지에 발표했다.

 

한국과학기술원(KAIST, 카이스트) 물리학과 민범기 교수 연구팀이 수행한 광자 시간 결정 자발방출 연구가 미국물리학회가 발행하는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 최근호(9월 22일자)에 실렸다. 

 

피지컬 리뷰 레터스는 물리학 분야에서 가장 권위 있는 학술지 중 하나다. 아인슈타인의 상대성이론이나 수많은 노벨상 논문이 이 학술지를 통해 발표됐다. 이 저널에 논문을 게재하는 것만으로도 세계 최고 수준의 연구로 인정받는다. 이 연구는 미국물리학회 매거진 '피직스(Physics)'에서도 특집 기사로 다루는 등 학계의 주목을 받았다.

 

▲ 한국과학기술원(KAIST, 카이스트) 전경. [카이스트 제공]

 

광자 시간 결정은 물질의 성질을 매우 빠르게 변화시켜 빛의 에너지를 저절로 증폭시키거나 억제할 수 있는 인공 물질이다. 최근 여러 차세대 기술 분야에서 활용할 수 있는 핵심 소재로 주목받고 있다. 일반적인 원자들이 공간상에서 일정한 패턴으로 반복 배열되어 있다면, 이 물질은 시간에 따라 규칙적으로 성질이 바뀐다. 

 

2022년 사이언스(Science)지에 게재된 연구에서는 이런 물질 속에서 원자가 빛을 내뿜는 '자발방출' 현상이 특정 조건에서 완전히 사라질 것이라고 예측했다. 하지만 민 교수 연구팀이 이론적으로 규명한 결과는 완전히 반대였다. 자발방출이 사라지는 것이 아니라 오히려 증폭된다는 정반대 결과를 입증했다. 

 

연구팀은 여기서 한 걸음 더 나아가 지금까지 알려지지 않은 완전히 새로운 현상도 예측했다. 일반적으로 원자는 에너지가 높은 '들뜬 상태'에서 낮은 '바닥 상태'로 떨어지면서 빛을 낸다. 그런데 광자 시간 결정 안에서는 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 올라가면서 동시에 빛을 내뿜는 역설적 현상이 일어날 수 있다는 것이다.

 

민 교수는 "이번 성과는 시간적으로 빠르게 변하는 환경에서 자발방출을 설명하는 기본 이론을 재확립한 것"이라며 "빛-물질 상호 작용 연구의 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 전했다. 특히 차세대 양자컴퓨터 개발을 비롯해 고성능 레이저, 초정밀 센서 등 다양한 광학 기술 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

이번 연구는 KAIST가 주도하고 기초과학연구원(IBS), UC버클리, 홍콩과학기술대학 등이 참여한 국제 공동연구로 진행됐다. KAIST 내에서도 민범기 교수팀을 중심으로 재료공학과 신종화 교수, 기계공학과 전원주 교수, 물리학과 조길영 교수 등이 협력했다. 

 

KPI뉴스 / 유충현 기자 babybug@kpinews.kr

 

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