초방사가 ‘수퍼' 버젼의 방사인것 처럼 초흡수는 ‘수퍼' 버젼의 흡수를 말한다. 초흡수에서는 서로 연관된 원자들이 집단적으로 빛을 흡수한다. 빛을 완전히 흡수할 수 있고 흡수된 광자수는 원자수의 제곱에 비례한다. 초흡수의 가능성은 이론적으로 많이 논의 되었지만 지금까지 실험으로 구현되지는 못했다. 최근 Nature Photonics에 실린 논문에서 안경원 교수팀은 초방사의 시간역과정에 의한 초흡수 구현을 보고했다. 실험에서는 바륨 원자를 초방사 상태로 준비하여 공진기 안에서 조사광과 작용하도록 했는데, 이 때 초방사 상태의 위상을 조절하여 초방사 과정이 시간 역행되도록 하였다. 원자들은 빛을 방출하는 대신 흡수함으로써 초흡수를 일으켰다. 관찰된 흡수율은 동일한 원자수(실험에서는 약 10개 원자가 사용됨)에 대해 일반 흡수율보다 약 10배 빨랐다. 더욱이 빛은 유한한 시간 안에 완전히 흡수되었고 흡수된 광자수는 원자수의 제곱에 비례했다. 초흡수는 앞으로 태양전지 및 광합성, 양자 메모리 및 광물질 양자 인터페이스에서 흡수효율을 향상시키는 활용 될 수 있을 것이다.

[그림 설명] 초흡수 구현을 위한 실험 모식도. 나노구멍 격자와 펌프광을 이용하여 원자들을 초방사 상태(양자중첩상태)로 준비하고 공진기의 배에 위치하도록 만든다. 원자의 위상을 조사광의 위상과 반대가 되도록 조절하여 초방사의 시간역과정인 초흡수를 유도한다.

Superabsorption refers to a 'super' version of absorption just like superradiance is a 'super' version of emission. In superabsorption, correlated atoms collectively absorb light. The light can be absorbed completely and the number of absorbed photons is proportional to the square of the number of atoms. Although superabsorption has been highly anticipated, it has not been realized until now. In a paper recently published in the journal Nature Photonics, the research team led by Prof. Kyungwon An at Seoul National University reports realization of superabsorption by time reversal of superradiance process. In their experiment, barium atoms in a beam were prepared in a superradiant state and interacted with a probe field in a cavity. The phase of the superradiant state was then adjusted to reverse the otherwise superradiant process in time. The atoms then absorbed light instead of emitting light, resulting in superabsorption. The observed absorption rate was about 10 times faster than that of ordinary absorption for the same number of atoms (about 10 atoms in their experiment). Moreover, the light was completely absorbed in a finite time and the number of absorbed photons was proportional to the square of the number of atoms. Superabsorption can be utilized in enhancing absorption efficiency in solar cells and photosynthesis as well as in quantum memory and light-matter quantum interfaces.

Authors: Daeho Yang, Seunghoon Oh, Junseok Han, Gibeom Son, Jinuk Kim, Junki Kim, Moonjoo Lee, and Kyungwon An

Nature Photonics (2021), https://doi.org/10.1038/s41566-021-00770-6

Link: https://www.nature.com/articles/s41566-021-00770-6