양자 파동함수, 껐다 켰다…미래 기술 '성큼'

미국 연구진이 원자 두께 수준의 얇은 신소재에서 양자 파동함수를 자유자재로 켜고 끄는 데 성공했다.

미국 리버사이드 캘리포니아대(UCR) 연구팀은 초박막 소재에 전기장을 가해 양자 파동함수의 위치와 상태를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'에 게재됐다.

양자 파동함수는 원자나 전자 등 미시 세계 입자의 상태와 위치를 확률적으로 나타내는 수학적 기술이다.

연구팀은 원자 두께의 얇은 막 두 개를 겹친 소자에 전기장을 걸어 양자 파동함수를 첫 번째 막이나 두 번째 막으로 이동시켰다. 두 막에 동시에 존재하게 하는 양자 중첩 현상을 구현하는 데도 성공했다.

너새니얼 게이버 UCR 물리천문학과 교수는 "이러한 양자적 균형 조절이 소재의 광학적 특성을 직접적으로 바꾼다는 사실을 발견했다"고 설명했다.

연구팀은 식물의 광합성 과정에서 영감을 얻었다. 광합성 시 빛 에너지는 전하 분리가 일어나는 '반응 중심'에 도달할 때까지 분자 사이를 이동한다. 이 에너지 이동 방식이 광합성 효율을 결정한다.

연구팀은 실험실에서 만든 신소재에서 이와 유사한 과정을 구현하고자 했다. 특히 소재 결정의 진동을 이용해 양자적 변화를 켜고 끄는 '양자 진동 스위치'를 만드는 것을 목표로 삼았다.

이 기술은 태양광 발전을 포함한 에너지 변환 기술의 효율을 높이는 데 핵심적이다. 빛이 소재에 닿아 생성된 에너지는 전기로 사용되기 전 열이나 빛으로 손실될 수 있다. 연구팀은 식물처럼 에너지를 매우 빠르게 추출하는 방법을 찾고 있다.

이번 연구 성과는 에너지 수확 기술을 넘어 새로운 형태의 양자컴퓨터 개발에도 기여할 것으로 기대된다.