얽힌 원자가 빛 방출을 과충전하는 것으로 발견

광학 공동에 배치된 원자들이 서로 상호작용하고 광 모드와도 상호작용하는 모습을 시각화한 그림. 출처: 에모리 대학교 야오 왕

바르샤바 대학교 물리학부, 바르샤바 대학교 신기술센터, 그리고 미국 애틀랜타 에모리 대학교의 연구진은 원자가 빛과 상호작용할 때 서로에게 어떤 영향을 미치는지 연구했습니다. Physical Review Letters 에 게재된 이 연구는 이러한 효과에 대한 기존 모델을 확장한 것입니다. 직접적인 원자 간 상호작용이 초방사(superradiance)라고 알려진 강력한 집단 광파를 증폭시킬 수 있음을 보여줌으로써, 연구팀은 첨단 양자 기술 개발의 새로운 가능성을 열었습니다.

빛-물질 시스템에서는 여러 방출체(예: 원자)가 공동 내에서 동일한 광학 모드를 공유합니다. 이 모드는 거울 사이에 갇힌 빛의 패턴을 나타내며, 고립된 원자가 나타낼 수 없는 집단적 행동을 가능하게 합니다. 주요 예로는 초광도(superradiance)가 있는데, 이는 원자가 완벽하게 동기화되어 빛을 방출하여 개별 방출량의 합보다 훨씬 더 큰 밝기를 생성하는 양자 효과입니다.

초복사(superradiance)에 대한 대부분의 초기 연구는 빛-물질 결합이 지배적이라고 가정하고, 전체 원자 그룹을 공동의 전자기장에 연결된 하나의 거대한 "거대 쌍극자"로 모델링했습니다. 바르샤바 대학교에서 박사 학위를 취득하고 현재 신기술 센터에서 연구하고 있는 이 연구의 제1저자이자 주앙 페드루 멘돈사 박사는 "광자는 공동 내부의 각 방출체를 다른 모든 방출체와 결합시키는 매개체 역할을 합니다."라고 설명합니다. 그러나 실제 물질에서는 주변 원자들이 단거리 쌍극자-쌍극자 힘을 통해 상호작용하기도 하는데, 이는 종종 간과됩니다. 이번 연구는 이러한 고유한 원자-원자 상호작용을 고려할 때 어떤 일이 일어나는지 살펴봅니다. 연구 결과는 이러한 상호작용이 초복사를 유발하는 광자 매개 결합과 경쟁하거나 이를 강화할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 균형을 이해하는 것은 빛과 물질이 서로 강한 영향을 미치는 실험을 해석하는 데 필수적입니다.

빛-물질 상호작용에서 얽힘의 역할

이러한 현상의 핵심에는 양자 얽힘, 즉 양자 상태를 공유하는 입자들 간의 깊은 연결이 있습니다. 그러나 많은 일반적인 이론적 방법들은 빛과 물질을 별개의 존재로 취급하여 이 중요한 연결을 없애버립니다. 저자들은 "준고전적 모델은 양자 문제를 크게 단순화하지만, 중요한 정보를 잃는 대가를 치릅니다. 광자와 원자 사이의 얽힘 가능성을 사실상 무시하는데, 어떤 경우에는 이것이 좋은 근사치가 아니라는 것을 발견했습니다."라고 지적합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 얽힘 현상을 명확하게 표현하는 계산 방법을 개발하여 원자 및 광자 하위 시스템 내부와 그 사이의 상관관계를 추적할 수 있도록 했습니다. 연구 결과는 이웃 원자 간의 직접적인 상호작용이 초복사(superradiance)의 한계점을 낮추고, 심지어 핵심 특성을 공유하는 이전에 알려지지 않은 질서 있는 위상을 밝혀낼 수 있음을 보여줍니다. 전반적으로, 이 연구는 얽힘 현상을 포함하는 것이 빛-물질 거동의 전체 범위를 정확하게 설명하는 데 필수적임을 보여줍니다.

양자 기술에 대한 의미

이 발견은 근본적인 이해를 심화하는 것 외에도 미래 양자 기술에 실질적인 의미를 지닙니다. 공동 기반 광-물질 시스템은 양자 배터리를 포함한 여러 신생 장치의 핵심입니다. 양자 배터리는 집단 양자 효과를 활용하여 훨씬 빠르게 충전하고 방전할 수 있는 개념적 에너지 저장 장치입니다. 초복사(superradiance)는 두 과정의 속도를 높여 전반적인 효율을 향상시킬 수 있습니다.

새로운 연구 결과는 미시적인 원자 상호작용이 이러한 과정에 어떻게 영향을 미치는지 명확히 보여줍니다. 과학자들은 원자 간 상호작용의 강도와 특성을 조정함으로써 초복사(superradiance)에 필요한 조건을 조정하고 에너지가 시스템을 통과하는 방식을 제어할 수 있습니다. "모델에 빛-물질 얽힘을 포함시키면 장치가 언제 빠르게 충전되고 언제 충전되지 않을지 예측할 수 있습니다. 이는 다체 효과를 실용적인 설계 규칙으로 전환합니다."라고 주앙 페드루 멘돈사는 말했습니다. 유사한 원리가 양자 통신 네트워크와 고정밀 센서에도 적용될 수 있습니다.

이 연구는 여러 기관의 전문 지식을 통합한 국제적 파트너십을 통해 발전했습니다. 주앙 페드로 멘돈사는 바르샤바 대학교의 "우수 연구 대학 이니셔티브(IDUB)" 프로그램과 폴란드 학술 교류 기관(NAWA)의 지원을 받아 미국에서 여러 차례 연구를 수행했습니다. 연구진은 협력과 이동성이 성공의 핵심이었다고 강조합니다. 연구팀은 "이번 연구는 국제적인 이동성과 협력이 어떻게 획기적인 발견으로 이어질 수 있는지를 보여주는 훌륭한 사례"라고 결론지었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251103093009.htm