연구원들은 원자 규모에서 물질의 새로운 특성을 조사하는 데 사용할 수 있는 고에너지 “양자 빛(quantum light)”을 생성하는 새로운 메커니즘을 이론화했다.
영국 캠브리지 대학(University of Cambridge) 연구원들은 미국, 이스라엘, 오스트리아의 동료들과 함께 X선 주파수만큼 높은 광범위한 주파수에서 제어 가능한 양자 특성을 갖는 새로운 빛 상태를 설명하는 이론을 개발했다. 연구 결과는 Nature Physics 저널에 보고됐다.
우리가 주변에서 관찰하는 세계는 고전물리학의 법칙에 따라 설명할 수 있지만 원자 규모로 사물을 관찰하면 이상한 양자물리학의 세계가 이어진다. 농구공을 예로 들면, 육안으로 관찰하면 농구공은 고전 물리학의 법칙에 따라 움직인다. 그러나 농구공을 구성하는 원자는 대신 양자 물리학에 따라 행동한다.
빛도 예외는 아니다. 햇빛에서 전파에 이르기까지 대부분 고전 물리학을 사용하여 설명할 수 있다. 그러나 마이크로 및 나노 스케일에서 이른바 양자 요동이 역할을 하기 시작하고 고전 물리학은 이를 설명할 수 없다.
케임브리지 캐번디시 연구소에서 연구를 수행한 수석 저자 Andrea Pizzi 박사는 Technion-Israel Institute of Technology의 Ido Kaminer 그룹 및 MIT 및 비엔나 대학의 동료들과 협력하여 빛의 양자 특성을 제어하는 새로운 방법을 예측하는 이론을 개발했다.
현재 하버드 대학에 있는 Pizzi는 “양자 요동은 양자 빛을 연구하기 어렵게 만들지만 또한 더 흥미롭게 만든다. 올바르게 설계하면 양자 요동이 자원이 될 수 있다. 양자 빛의 상태를 제어하면 현미경과 양자 계산에서 새로운 기술이 가능해질 수 있다”고 말했다.
빛을 생성하는 주요 기술 중 하나는 강력한 레이저를 사용한다. 충분히 강한 레이저가 방출기 집합체를 향하면 방출기에서 일부 전자를 떼어내 에너지를 공급할 수 있다. 결국, 이러한 전자 중 일부는 추출된 이미터와 재결합하고 흡수한 초과 에너지는 빛으로 방출된다. 이 프로세스는 저주파 입력 빛을 고주파 출력 방사로 바꾼다.
Pizzi는 “이러한 모든 에미터가 서로 독립적이어서 양자 요동이 거의 특징이 없는 출력 광을 생성한다고 가정했다”며 “우리는 에미터가 독립적이지 않고 상관 관계가 있는 시스템을 연구하고 싶었다. 한 입자의 상태는 다른 입자의 상태에 대해 알려준다. 이 경우 출력 광이 매우 다르게 작동하기 시작하고 양자 요동이 고도로 구조화죈다. 잠재적으로 더 유용하다”고 말했다.
다체 문제(many body problem)로 알려진 이러한 유형의 문제를 해결하기 위해 연구자들은 이론적 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 조합하여 사용했다. 여기서 상관 방출기 그룹의 출력 빛은 양자 물리학을 사용하여 설명할 수 있다.
Technion의 Pizzi와 Alexey Gorlach가 개발을 주도한 이 이론은 제어 가능한 양자 광이 강력한 레이저와 상관된 방사체에 의해 생성될 수 있음을 보여준다. 이 방법은 고에너지 출력 광을 생성하며 X선의 양자 광학 구조를 설계하는 데 사용될 수 있다.
