DGIST, 열린 양자 환경서 ‘초고속 전자 결어긋남’ 원인 발견

고차 조화파 방출 시뮬레이션 결과. [사진=DGIST] 

[이뉴스투데이 백연식 기자] DGIST는 이재동 화학물리학과 교수 연구팀이 자연계에 존재하는 ‘열린 양자 환경’에서 양자질서가 소실되고 붕괴하는 미시적 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 25일 밝혔다. 완벽하게 고립된 양자계가 현실에서는 존재할 수 없는 만큼, 이번 연구는 이상적인 양자 이론과 실제 환경에서 작동해야 하는 양자기술 사이의 공백을 메워줄 결정적인 단초가 될 전망이다.

고체 물질에 강한 빛을 쏘았을 때 발생하는 ‘고차 조화파’는 물질의 특성 분석이나 초고속 펄스, 고에너지 빛 생성 등에 활용되어 학술적·산업적 가치가 매우 높다. 하지만 이 과정에서 1~2 펨토초(1000조분의 1초)라는 극히 짧은 순간에 양자의 고유한 상태가 흐트러지는 ‘초고속 전자 결어긋남’ 현상이 발생한다. 지난 10여 년간 전 세계 수많은 연구에도 불구하고 그 근본적인 원인을 파악하지 못하고 있었다.

이재동 교수팀은 이 수수께끼를 풀기 위해 기존의 양자 마스터 방정식의 한계를 넘는 ‘린드블라드 마스터 방정식(Lindblad master equation)’ 계산법을 새롭게 개발해 연구에 적용했다. 이를 통해 전자끼리의 상호작용뿐만 아니라, 전자와 주변 환경 간의 상호작용까지 동시에 정밀하게 고려할 수 있는 미시적 이론 연구의 기틀을 마련했다.

연구팀은 고체의 고차 조화파 발생 과정에서 나타나는 ‘초방사(Superradiance)’와 ‘광대역 방출(Broadband emission)’ 현상을 분석하고, 이 둘 사이에 서로 영향을 상쇄하는 간섭이 일어난다는 사실을 새롭게 발견했다. 결과적으로 열린 양자 환경에서 환경과의 상호작용(초방사 등)이 고체의 초고속 전자 결맞음 붕괴를 결정적으로 좌우한다는 것을 확인하며 오랫동안 풀리지 않던 난제를 해결했다.

이 교수는 “이번 연구를 통해 10여 년간 수수께끼로 남아있던 고체 내 초고속 전자 결맞음 붕괴가 열린 양자계의 환경적 상호작용에 기인한다는 것을 알아냈다”며 “이 연구의 진정한 의미는 이상적인 양자 이론을 현실적이고 신뢰할 수 있는 양자 공학으로 연결하는 길을 열었다는 점이며, 기존 고립 양자계를 가정한 양자 기술 개념이 새롭고 중대한 도전을 맞게 될 것”이라고 말했다.