Coherent Single-Atom Superradiance

우리 학부의 안경원 교수 연구팀(제1저자 김준기, 공동저자 양대호, 오승훈, 교신저자 안경원)이 단일 원자에 의한 초방사(superradiance) 현상을 처음 구현하여 Science에 논문을 게재 하었다. 초방사가 일어나려면 좁은 공간에 많은 수의 원자가 밀집해 있어야 하는데, 안경원 교수 팀은 공진기를 매개로 하여 원자 하나로도 초방사를 발생시킬 수 있음을 처음으로 입증한 것이다. 안 교수 팀은 양자 중첩상태의 원자가 공진기를 하나씩 통과하면, 공진기 안에 있는 단일 원자와 이미 공진기를 통과한 원자들 사이에 강한 상호작용이 공진기를 통해 유도되여 초방사 현상이 발생함을 실험적으로 관측하였다. 공진기가 빛을 가둘 수 있는 시간동안 공진기를 통과한 원자수의 제곱에 비례하여 초방사가 발생하였으며, 그 결과 공진기 안에 많은 수의 광자가 축적이 되며 레이저 발진이 이루어졌다. 일반 레이저의 경우 레이저 발진을 위해서는 일정 파워 이상으로 에너지를 공급해야 한다. 그러나 안 교수 팀의 연구에서는 초방사에 의해 레이저 발진이 이루어지기 때문에 이러한 문턱이 존재하지 않았다. 따라서 이번 연구 결과는 향후 문턱이 없는 고효율 레이저의 개발에 활용될 것으로 전망된다. 아울러 고효율로 원자의 양자 중첩상태를 빛의 중첩상태로 전달할 수 있기 때문에 고효율 양자정보 처리에도 도움이 될 것으로 보인다. 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원으로 수행되었고 연구결과는 사이언스(Science)지 12월21일자 온라인판(First Release)에 우선 게재되었다 (논문명: Coherent single-atom superrradiance).

link: http://science.sciencemag.org/content/early/2017/12/20/science.aar2179

초방사(superradiance)란?
미국의 물리학자 로버트 디키(Robert Dicke)가 1954에 이론적으로 제안한 현상. 원자들이 빛의 파장 보다 훨씬 가깝게 밀집되어 여기상태(excited state)에 놓이면, 서로 간 위상결맞음이 발생하여 개별적으로 빛을 방사(radiate)하지 않고 집단적으로(collectively) 빛을 강하게 방사하게 된다는 현상. 안 교수 팀의 연구에서는 원자들이 서로 수십 미터 떨여져 있음에도 불구하고 공진기 장(field)을 매개체로 하여 초방사 현상이 발생하였기에 기존에 관측된 초방사 현상과는 크게 차별된다.

http://science.sciencemag.org/content/359/6376/662