[안경원 교수 연구팀] 빛으로 작동하는 양자엔진 최초 구현 - Nature Photonics에 게재
초방사(superradiance)란 양자역학적으로 결맞은 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상이다. 초방사 양자 엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동하며, 엔진의 동작을 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 하는데 지금까지는 그러한 제어가 불가능했다. 이에 연구팀은 다수의 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들고 그들의 양자위상을 직접 제어하면, 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안하여 연구를 진행하였다.
연구팀은 나노 구멍이 파장 간격으로 뚫린 나노 구멍 격자에 원자빔을 통과 시킨 후 진행파 펌프 레이저로 원자들을 양자 중첩상태로 여기시키고, 이러한 원자들이 두 개의 거울로 구성된 공진기 안에서 초방사를 일으키도록 함으로써, 거울이 빛의 압력을 받아 엔진의 피스톤 역할을 하는 실험장치를 구성하였다. 이때, 펌프 레이저로 원자들의 양자위상을 제어하여 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있도록 하였다.
연구팀은 이러한 방법을 이용하여 원자가 방출한 빛의 압력에 의해 가열, 팽창(초방사 과정), 냉각, 수축(열광자 방출 과정) 등의 4행정 과정을 잘 따르는 것을 확인하였다. 팽창과정에서 엔진의 온도는 15만도까지 올라갔고 그에 따른 엔진 효율이 98%에 이르렀는데, 이는 기존 양자엔진 연구에서 엔진 온도가 최고 1만도, 엔진 효율이 48%였던 것과 큰 대비를 보였다.
이번 연구성과는 빛으로 동작하는 초방사 양자 엔진을 실험적으로 구현한 첫 사례로서, 원자들의 양자 중첩상태를 정밀하게 조절하여 초방사 현상을 제어하는 기술개발을 통해 원자물리 및 양자정보처리 등의 분야에 기여하였을 뿐 아니라, 엔진의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 길을 제시하였다.
Performance of nano- and microscale heat engines can be improved with the help of quantum-mechanical phenomena. Recently, heat reservoirs with quantum coherence have been proposed to enhance engine performance beyond the Carnot limit even with a single reservoir. However, no physical realizations have been achieved so far. Here we report the first proof-of-principle experimental demonstration of a photonic quantum engine driven by superradiance employing a single heat reservoir composed of atoms and photonic vacuum. Reservoir atoms prepared in a quantum coherent superposition state underwent superradiance as they traversed the cavity. This led to about 40-fold increase in the effective engine temperature, resulting in near-unity engine efficiency. Moreover, the observed engine output power grew quadratically with respect to the atomic injection rate. Our work can be utilized in quantum-mechanical heat transfer as well as in boosting engine powers, opening a pathway to the development of photomechanical devices that run on quantum coherence embedded in heat baths.
논문명: A photonic quantum engine driven by superradiance
저자: 김진욱(제1저자/서울대), 오승훈(공동저자/서울대). 양대호(공동저자/삼성종기원), 김준기(공동저자/성균관대학교), 이문주(공동저자/포항공대), 안경원(교신저자/서울대)