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양자기술 구현의 난제였던 ‘초고속 전자 결어긋남’ 현상을 국내 연구진이 세계 최초로 규명해냈다. ‘완벽히 고립된’ 양자계를 전제한 이론과 실제 환경 사이의 간극을 메울 결정적인 단초가 될 것으로 전망된다.

DGIST 화학물리학과 이재동 교수 연구팀은 25일 자연계에 존재하는 ‘열린 양자 환경’에서 양자질서가 소실되고 붕괴하는 미시적 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

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 매우 짧은 순간에 양자의 고유한 상태가 흐트러지는 ‘초고속 전자 결어긋남’ 현상이 발생하는데, 이 현상의 근본적인 원인 파악이 미제로 남아있었다.

이재동 교수팀은 기존의 양자 마스터 방정식의 한계를 넘는 ‘린드블라드 마스터 방정식‘ 계산법을 새롭게 개발해 연구에 적용함으로써 이 수수께끼를 풀어냈다. 이를 통해 전자끼리의 상호작용뿐만 아니라, 전자와 주변 환경 간의 상호작용까지 동시에 정밀하게 고려할 수 있게 된 것이다.

연구팀은 고체의 고차 조화파 발생 과정에서 나타나는 ‘초방사’와 ‘광대역 방출’ 현상을 분석한 결과 두 현상 사이에서 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 오랜 난제를 해결했다.

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이재동 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 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 DGIST의 국제공동연구사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 학제 간 과학 분야의 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Science’에 게재됐다.

장형임 기자 jang@sedaily.com

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