서울대 연구팀, 빛을 완벽하게 흡수하는 '초흡수 현상' 구현

초흡수 구현을 위한 실험(초방사 현상의 시간역행을 위한 광학적 설계) 모식도(서울대 안경원 교수 연구팀 제공) ©뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 빛을 빠르게 모조리 흡수하는 초흡수 현상이 국내 연구진에 의해 처음으로 구현됐다.

한국연구재단은 서울대 안경원 교수 연구팀이 초방사 현상의 시간역행을 통해 초흡수 현상을 실험적으로 구현해냈다고 7일 밝혔다.

초흡수 현상은 빛이 빠르게 방출되는 초방사 현상에 가려져서 관측 자체가 어려웠다.

양자역학적으로 연관된 특정 상태의 원자들이 강한 빛을 내는 초방사 현상은 이미 실험적으로 구현된 바 있다.

하지만, 동일한 상태에서 나타날 수 있는 초흡수 현상은 관측되지 않았다.

초방사에 의해 초흡수가 가려지기에 관측하기 어려웠던 것이다.

이에 연구팀은 초방사현상과 초흡수현상이 동일한 상태의 원자들에서 나타날 수 있으며 서로 시간 역과정이라는 점에 착안했다.

초방사를 일으킬 수 있는 초방사 상태의 원자들을 제어해 마치 시간을 되돌리듯 빛을 빠르게 흡수하는 초흡수 현상을 실험적으로 유도한 것이다.

시간역행을 위해 원자상태의 위상을 제어하는 기술이 이용됐다.

우선 체스판 모양의 나노구멍 격자를 통과한 일부 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 상태(양자역학적 중첩상태)로 만들었다.

이어 원자상태의 위상을 주변 빛의 위상과 반대가 되도록 조절해 초방사를 되돌린 초흡수 현상이 일어나도록 한 것이다.

초흡수가 원자수의 제곱에 비례한다는 근거와 초흡수 과정에서 일정 시간동안 흡수되는 광자수를 원자수에 따라 측정한 결과. 흡수된 광자수가 원자수의 이차함수 꼴로 바뀌는 것을 알 수 있다. 초방사가 원자수의 제곱에 비례하여 광자를 방출하는 것처럼 초흡수가 원자수의 제곱에 비례하여 광자를 흡수한다는 것을 보여준다. (서울대 안경원 교수 연구팀 제공) © 뉴스1

실제, 연구팀은 10개 정도의 원자로 초흡수 현상을 구현해 일반 흡수보다 10배 정도 빠르게 빛을 100% 흡수하는 것을 관측했다.

특히, 빛의 세기가 약할수록 일반흡수보다 흡수속도가 더욱 빨라지는 것을 발견했다.

이같은 연구결과는 Δ에너지수확이 Δ양자정보처리 효율향상 Δ섬세한 광신호 감지를 이용한 천체관측 기초자료가 될 것으로 기대된다.

이를 위해 연구팀은 원자상태를 제어할 수 있는 공진기 내부가 아닌 자유공간에서의 초흡수 현상 구현 연구를 지속할 계획이다.

한편, 이번 연구 성과는 광학분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’ 온라인판 2021년 3월2일자에 게재됐다.

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