▲ a. 실험장치도. y축 방향으로 날아가는 원자(주황색 총알 모양)는 대부분 나노 구멍 격자 막(회색 체스판 모양)에 가로막히고 일부 원자들만 구멍을 통과한다. 구멍을 통과한 원자들은 상태 제어용 레이저(자홍색 빛)에 의해 강한 빛을 방출할 수 있는 초방사 상태(양자 중첩상태)로 준비된다. 준비된 원자들이 x축 방향으로 위치한 공진기(푸른색)를 통과하면서 공진기 내부에 빛을 방출하여 거울에 작용하는 압력이 증가한다. 위와 같은 상황은 엔진에 비유할 수 있으며, 이때 거울(하늘색)은 엔진의 피스톤 역할을 하며 작동 유체는 광자 가스에 해당한다. b. 나노 구멍 격자 막의 주사전자현미경 이미지. 200 nm 가량의 직사각형 구멍이 빛의 파장 주기에 맞춰 규칙적으로 반복된다. c. 엔진 사이클의 압력-부피 다이어그램. 초방사 현상이 일어나 거울 사이의 광압이 증가한 상태로 공진기가 팽창하고 위상제어를 통해 초방사 현상을 억제하는 동안 공진기가 제자리로 돌아오도록 구현하였다. 오른쪽 그림은 일반적인 엔진(양자결맞음이 없음)에 해당하는 경우로 사이클 당 하는 일이 0이다(그래프 상 엔진의 상태 궤적이 그리는 면적이 0). 이에 반해 왼쪽 그림은 초방사 엔진의 경우(양자결맞음 있음)로 엔진이 일을 하는 것이 가능하다(그래프 상 궤적이 그리는 면적이 0이 아님).

1959년 Scovil과 Schulz-DuBois에 의해 처음 제안된 양자 열기관은 엔진을 구성하는 일부가 양자역학적 성질을 유지한 채 동작하는 열기관이다. 이러한 종류의 엔진은 온도와 같은 고전적인 열역학적 매개변수뿐만 아니라 양자결맞음(quan- tum coherence)까지 고려해야만 적절하게 설명될 수 있다. 열원에 저장된 양자결맞음을 역학적 일로 추출할 수 있다는 것이 이론적으로 제안된 바 있으며, 양자 시스템으로부터 유니터리 연산(unitary operation)을 통해 얻을 수 있는 최대 일의 양을 에르고트로피(ergotropy)라고 한다. 열원과 시스템 간의 고전적인 열전달에 더해 양자적인 에르고트로피까지 고려한다면 고전 열역학에 따라 제한되는 여러 제약에 벗어나 구동하는 엔진이 가능해진다.

엔진에 도입되는 양자적 성질로 압착(squeezing), 중첩(superposition), 얽힌 상태(entanglement) 등이 연구되었으며 최근에는 초방사(superradiance) 현상 또한 빛으로 동작하는 엔진에 적용될 수 있다는 이론적 제안이 있었다. 초방사 현상이란 양자역학적으로 결맞은 원자들이 집단적으로 빛을 강하게 방출하는 현상으로, 원자 수 제곱에 비례하여 방출하는 빛의 세기가 커지는 특성이 있다. 이처럼 양자적 결맞음으로 인해 강하게 방출된 빛을 광압으로 동작하는 엔진에 적용한다면 이 또한 양자적 엔진으로 볼 수 있으며, 그 출력이 원자 수의 제곱에 비례하는 특성을 가지게 된다.

본 연구에서 구현된 양자 엔진은 다음과 같이 작동한다. 중첩상태로 준비된 이준위 원자들이 방출한 빛을 팽창, 수축을 반복하는 공진기에 가두어 둔다. 팽창하는 동안 거울은 광압에 의해 일을 받게 되고 수축하는 동안 거울은 일을 하게 되는데 팽창하는 순간에 초방사 현상을 일으켜 광압을 키우고 수축할 때에는 위상을 흐트러뜨려 빛의 세기를 줄이면 외부로 일을 하는 사이클이 완성된다. 이를 엔진에 비유하면 거울은 피스톤, 원자는 열원, 광자는 작동 유체에 해당한다.

이와 같이 초방사 현상을 제어하기 위해서는 중첩상태로 준비된 원자 간 상대적인 위상과 빛을 저장하는 공진기의 위상을 잘 제어할 수 있어야 한다. 원자 간의 위상은 원자를 들뜨게 하는 레이저의 공간적, 시간적 위상에 의해 결정된다. 먼저 공간적 위상을 정렬하기 위해 파장 간격의 구멍이 뚫린 격자를 이용한다. 그 결과 원자의 위상과 입사 위치의 공진기 모드의 상대적인 위상이 모두 같게 된다. 이처럼 정렬된 원자들이 방출하는 빛은 서로 보강 간섭하여 강한 빛을 내는 초방사 현상을 일으키게 되며, 공진기와 레이저의 상대적인 주파수가 틀어지면 공진기는 원자들의 위상이 무작위로 느끼게 되고 초방사 현상은 사라지고 열광자가 방출된다.

이와 같이 위상을 조절하는 방식에서 개별 원자가 가지는 에너지는 변함이 없으므로 열원의 온도는 변함이 없다. 즉, 하나의 온도를 가지는 열원으로도 엔진이 동작하는 것이다. 초방사 현상에 의해 빛이 강하게 방출되는 것은 열역학적으로는 열원으로부터 작동 유체로 에너지(에르고트로피) 전달이 강해진다고 해석할 수 있다. 고전 열역학의 관점에서 열, 온도, 엔트로피 간의 관계(dQ 〓 TdS)에서 보자면, 이는 엔트로피 변화는 그대로인데 열원으로부터 전달되는 에너지(열)가 증가한 셈이므로 온도(광자수에 비례)가 증가한 것으로 해석된다. 본 연구진은 초방사 현상이 일어날 때 이 유효 온도가 열원의 온도보다 40배 이상 증가하여 15만도까지 높아지는 것을 관찰하였다. 엔진의 효율은 사이클 당 하는 일을 팽창과정에 유입된 열로 나눈 것으로 주어지는데, 초방사인 경우와 열광원일 때의 유효 온도비로 결정되어 최대 98%(〓 1-1/40)에 도달하였다. 본 연구는 양자역학적 열전달 및 엔진 효율의 증대 등에 사용될 수 있고 양자 결맞음으로 구동되는 광역학 소자의 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

▲ Fe에서 제일원리계산을 통해 얻은 (a) 페르미 준위에 따른 스핀 스와핑 전도도와 (b) 밴드 구조. (c) 강자성체에서 내재적 스핀 수송이 발생하는 과정에 대한 모식도.

전기장에 의한 스핀 전류 생성은 효율적인 스핀 소자의 구현에 필수적이다. 그중 대표적인 현상인 스핀 홀 효과는 전기장과 수직한 방향으로 스핀 전류가 발생하는 현상으로, 밴드 구조로부터 기인하는 내재적(intrinsic) 효과와 불순물로부터 기인하는 외재적(extrinsic) 효과로 분류된다. 특히 내재적 효과는 밴드 구조로부터 기인하기 때문에 응집 물질의 다양한 수송 현상의 바탕이다.

스핀 스와핑(spin swapping) 효과는 스핀 홀 효과와 마찬가지로 스핀-궤도 결합에 의해 스핀 전류가 생성되는 현상이다. 이 현상은 스핀 전류를 또 다른 스핀 전류로 전환하는데, 스핀 전류의 방향과 스핀 분극의 방향을 모두 바꾼다. 이는 스핀-궤도 결합이 있는 물질에서 항상 존재하는 효과이며, 외부 자기장 없이 작동하는 스핀-궤도 토크 소자(field- free spin-orbit torque devices)를 구현하는 데에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 기존의 스핀 스와핑 연구는 외재적 효과 혹은 반전 대칭이 깨진 구조에서 진행되어 왔는데, 이는 Fe, Co, Ni 등 학문적, 응용적으로 많이 연구되어 오는 물질에서의 스핀 스와핑을 설명할 수 없다는 문제가 있다.

최근 고려대, KAIST, KIST 공동연구팀은 반전 대칭이 깨지지 않은 강자성체에서 내재적 효과에 의해 거대한 스핀 스와핑 효과가 발생함을 이론적으로 제시하고, 그 크기를 결정하는 핵심 요인을 해석적, 수치적으로 확인하였다.

공동연구팀은 스핀과 오비탈 자유도를 모두 갖는 해석적 모델로부터 스핀 스와핑 전도도를 유도하였다. 이를 통해 스핀 스와핑 전도도는 서로 다른 스핀, 다른 오비탈 특성을 갖는 밴드들이 스핀-궤도 결합에 의해 반교차점(anticrossing)을 형성할 때에 그 크기가 커진다는 점을 밝혔다.

제일원리 계산을 통해 실제 강자성체 물질(Fe, Co, Ni)에서 스핀 스와핑 전도도를 확인해 본 결과 해당 물질들에서의 스핀 홀 전도도보다 큰 값을 얻었다. 그림 (a)는 Fe에서 페르미 준위에 따른 스핀 스와핑 전도도를 계산한 결과이다. 이를 Fe의 밴드 구조[그림 (b)]와 비교를 해보면 서로 다른 스핀, 오비탈 특성을 가지는 두 밴드가 이루는 반교차점에서 그 값이 크다. 이런 특성은 스핀 교환 상호작용과 오비탈 텍스쳐가 동시에 존재하는 강자성체만의 특성이다[그림 (c)].

이 결과는 강자성체에서의 스핀 전도 현상을 기술하기 위해서는 스핀과 오비탈 자유도를 동시에 고려해야 하며, 그 특성이 비자성체에서의 스핀 수송과는 정성적으로 다름을 보여준다는 측면에서 학문적 의의가 있다. 또한 강자성체에서의 스핀 수송은 현재 활발히 연구되는 스핀 소자의 효율과도 직접적인 영향이 있으므로 응용측면에서도 의의가 있다.