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양자엔진
양자엔진(Quantum engine)은 원자빔으로 구성된 연료가 갖는 양자결맞음(Quantum coherence)을 초방사를 통해 역학적 에너지로 변환시켜 빛으로 동작하는 세계 최초의 엔진이다. 대한민국 연구진에 의해 최초로 구현되었다.
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상세
양자엔진은 양자역학적으로 질서정연하게 구성된 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상(초방사)을 이용한 엔진이다. 이같은 초방사를 이용한 양자엔진은 강하게 방출된 빛의 압력으로 작동한다. 양자엔진 동작을 위해서는 순간적으로 초방사 현상을 켜고 끌 수 있어야 한다.[1] 초방사를 활용한 양자엔진이 이론적으로 제안되었던 적은 있으나, 실험적으로 구현되지는 못했다. 특히 연료에 저장된 양자 결맞음을 운동에너지로 변환시킬 수 있다는 것이 약 20여 년 전 이론적으로 예견된 바 있으나, 지금까지 실험적으로 입증된 적이 없었다. 이런 상황 속에서 2022년 7월 서울대학교, 삼성종합기술원, 성균관대학교, 포스텍 공동 연구팀이 빛으로 동작하는 초방사 양자엔진을 세계 최초로 구현했다. 이 연구 성과는 2022년 7월 21일 학술지 네이처 포토닉스(Natureu Photonics)에 게재되었다. 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 제시했다. 또한, 이는 양자역학적 열전달을 높이거나 양자결맞음에 의해 구동되는 역학장치의 개발로 이어질 수 있다.[2] 미래에는 전기차·수소차의 뒤를 이어 양자엔진으로 움직이는 양자차가 도로를 달릴 가능성이 열리게 된 것이다. 2023년 9월에는 일본 오키나와과학기술연구소(OIST)와 독일 카이저슬라우테른란다우대학교, 슈투트가르트대학교가 참여한 국제 공동 연구진이 네이처에 양자역학적 효과를 이용한 양자엔진을 개발했다고 밝혔다. 이 양자엔진은 두 종류의 양자 입자를 서로 전환하는 작업을 반복하여, 열을 사용하지 않고도 동력을 공급할 수 있는 새로운 엔진 기술이다. '파울리 엔진'이라는 이름의 이 양자엔진은 기체 상태의 리튬을 초유체로 만들어 연료로 사용한다.[3]
원리
대한민국 연구
초방사에서는 원자들간 상관관계가 존재하기 때문에 원자에서 방출된 빛들이 서로 보강간섭을 일으켜 강한 빛을 방출하게 된다. 반면, 일반적인 방사의 경우 각각의 원자에서 개별적으로 방출된 빛들이 서로 보강간섭뿐 아니라 상쇄간섭을 일으키면서 방출된 빛의 세기가 줄어들게 된다. 양자 역학에서 모든 물체는 파동과 같은 속성을 가지고 있어 간섭할 수 있는데 양자 상태의 위상을 양자 위상이라 하며, 상대적인 양자 위상에 따라 보강간섭, 상쇄간섭 모두 일어날 수 있는 것이다. 이런 상태에서 일어난 초방사 현상은 밀도 높은 원자, 원자/이온 포획, 초전도체 회로 등의 다양한 시스템에서 관측되었다.[4] 연구팀은 두 개의 거울로 구성된 공진기 안에서 다수의 원자들을 초방사를 일으킬 수 있는 양자 중첩상태로 만들고, 그들의 양자위상을 직접 제어하면 초방사 현상을 빠르게 켜고 끌 수 있다는 점에 착안했다. 우선 양자 중첩상태의 원자를 준비하기 위해 체스판 모양의 나노 구멍 격자를 사용했다. 격자를 통과한 바륨 원자들에 수직 방향으로 상태 제어용 레이저를 쪼여, 구멍을 통과하는 원자와 공진기 간 상대적 위상이 모두 같아지는 양자결맞음을 구현했다. 이렇게 해서 원자들을 초방사 상태로 준비하고, 레이저와 공진기의 상대적 주파수를 조절해 원자들이 빛을 강하게 방출하는 현상을 빠르게 켜거나 끄는 데 성공했다. 이때, 거울은 빛의 압력을 받아 일을 하는 엔진의 피스톤 역할을 한다. 초방사가 일어날 때 공진기가 팽창하고 초방사가 일어나지 않을 때 공진기가 수축하도록 해 광압의 차에 의해 엔진이 외부로 일을 할 수 있게 했다. 엔진은 일반 열역학적 엔진이 일을 할 수 없는 상황에서도 원자가 방출한 빛의 압력에 의한 가열과 팽창, 냉각, 수축 등에 따라 잘 동작했다. 엔진 출력은 원자 수의 제곱에 비례했다. 팽창 과정에서 엔진의 온도는 15만 도까지 올라갔고, 엔진 효율은 98%에 달했다. 기존 연구에선 엔진 온도가 최고 1만 도, 엔진 효율이 48% 수준이었다.[5]
일본, 독일 합동 연구
해당 양자엔진에는 양자역학 이론 중 하나인 파울리 배타원리가 적용됐다. 파울리 배타원리는 하나의 양자 상태에서 두 개의 페르미온이 존재하지 못한다는 이론이다. 페르미온은 보손과 함께 기본입자를 구성하고 있다. 페르미온은 배타원리에 의해 한 장소에 여러개가 존재하지 못하지만 보손은 같은 장소에 여러 입자가 존재할 수 있다. 페르미온을 대표하는 입자는 전자, 보손을 대표하는 입자는 광자(빛 입자)다. 보손을 분해하면 2개의 페르미온이 나오고, 2개의 페르미온을 결합하면 보손이 된다. 이를 이용해 연료를 폭발하는 것처럼 큰 부피 변화를 만들 수 있다. 압축된 보손을 페르미온으로 바꾸면 입자 수와 파울리 배타원리에 의해 부피가 크게 증가하고, 반대로 페르미온을 보손으로 바꾸면 손쉽게 부피를 줄일 수 있다는 것이다. 연구진은 양자엔진 내부의 보손을 페르미온으로 변환하고 이를 다시 보손으로 바꾸는 과정을 반복해 피스톤을 움직이는 데 성공했다. 다만 에너지 효율은 기존 엔진의 25% 수준에 불과한 것으로 나타났다. 또 온도가 높아지면 양자 효과가 사라지는 만큼 양자엔진은 영하 273도에 가까운 초저온에서만 작동한다는 문제도 있다. 초저온은 만드는 데 사용되는 에너지를 고려하면 당장 상용화하기에는 무리가 있다. 연구진은 양자엔진과 관련한 이론을 보완하고 성능을 높이기 위한 추가 연구를 이어나갈 예정이다.[3]
각주
- ↑ 김민수 기자, 〈원자가 내는 강한 빛으로 양자엔진 처음으로 구현했다〉, 《동아사이언스》, 2022-07-22
- ↑ 〈빛으로 작동하는 양자엔진 최초 구현〉, 《서울대학교》, 2022-08-08
- ↑ 3.0 3.1 이병철 기자, 〈(뉴테크) 전기차·수소차 다음은 양자차…양자로 작동하는 엔진 나왔다〉, 《조선비즈》, 2023-09-28
- ↑ 김향자 기자, 〈세계 최초…‘초방사’ 빛으로 ‘양자 엔진’ 가동〉, 《애플경제》, 2022-07-22
- ↑ 한세희 기자, 〈빛으로 동작하는 양자 엔진 세계 첫 구현〉, 《지디넷코리아》, 2022-07-22
참고자료
- 한세희 기자, 〈빛으로 동작하는 양자 엔진 세계 첫 구현〉, 《지디넷코리아》, 2022-07-22
- 김민수 기자, 〈원자가 내는 강한 빛으로 양자엔진 처음으로 구현했다〉, 《동아사이언스》, 2022-07-22
- 김향자 기자, 〈세계 최초…‘초방사’ 빛으로 ‘양자 엔진’ 가동〉, 《애플경제》, 2022-07-22
- 〈빛으로 작동하는 양자엔진 최초 구현〉, 《서울대학교》, 2022-08-08
- 이병철 기자, 〈(뉴테크) 전기차·수소차 다음은 양자차…양자로 작동하는 엔진 나왔다〉, 《조선비즈》, 2023-09-28
같이 보기
- [[[엔진]]
