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[IT뉴스]100년 만에 풀린 물리학 퍼즐…단일 입자 내 파동에너지 완벽 속박

온카뱅크관리자

2025-04-10 12:07:28

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        <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> 
         <section dmcf-sid="H1YE0oGkLK">
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="8012edbb3938cf73ce57990eaf3ba2d0f8266b2faef60f5ea4eb9a3d07b3f867" dmcf-pid="XtGDpgHEJb" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="공진은 특정 주파수에서 파동 에너지가 증폭되는 현상이다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202504/10/dongascience/20250410120417237qdqg.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="YEgiWPOJn2" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202504/10/dongascience/20250410120417237qdqg.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            공진은 특정 주파수에서 파동 에너지가 증폭되는 현상이다. 게티이미지뱅크 제공
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="6c843fe8fe727c8da36f592e8f6af66f3409bc458bfeb959c9e178803bc575ea" dmcf-pid="ZFHwUaXDnB" dmcf-ptype="general">국내 연구팀이 약 100년 동안 불가능하다고 여겨진 물리학 난제를 해결했다. 단일 입자 내에 파동에너지를 완벽하게 가두는 기술이다.</p>
          <p contents-hash="b5b8ef0d16e50386154d1e865863dc69b3c4c9b219f771440e00bad6376329c5" dmcf-pid="53XruNZweq" dmcf-ptype="general"> 포스텍은 노준석 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 교수팀이 김은호 전북대 기계시스템공학부 교수팀과 공동 연구를 통해 이론적으로 단일 입자 수준에서 외부로 에너지 방출 없이 완벽하게 보존되는 시스템을 구현하는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 연구결과는 3일(현지시간) 국제학술지 '피지컬 리뷰 레터스(PRL)'에 공개됐다.</p>
          <p contents-hash="57189e9664714e11ca18951604b625d9aae567bcd4e6056c00dc2540f847d1ca" dmcf-pid="10Zm7j5rJz" dmcf-ptype="general"> 전자기파와 초음파 등 파동을 이용한 장치는 공진(resonance) 현상을 활용한다. 공진은 그네를 탈 때 적절한 순간에 밀면 더 높이 올라가듯 특정 주파수에서 파동 에너지가 증폭되는 현상이다. 일반적으로 공진 과정에서 파동에너지가 조금씩 밖으로 새어 나가기 때문에 외부에서 에너지를 계속 보충해야 한다.</p>
          <p contents-hash="65f052706399c1e82407e9c8ece907e28f83924acd3ccad99d974ffac149fb3f" dmcf-pid="tp5szA1me7" dmcf-ptype="general"> 1929년 '천재 과학자'로 꼽히는 존 폰 노이만과 노벨물리학상 수상자인 유진 위그너는 특정 조건에서 외부로 에너지 손실 없이 파동을 가둘 수 있는 '연속체 내 속박 상태(Bound States in the Continuum, BIC)' 이론을 제시했다.</p>
          <p contents-hash="3c4f8c3789c469002881a44b6847f4f55ff1b8c576d84fa5a4f3d0ef7434b5a8" dmcf-pid="FU1Oqctseu" dmcf-ptype="general"> BIC가 구현되면 파동이 외부로 나갈 공간이 있는데도 경계면에서 거울에 부딪친 것처럼 반사되며 외부로 에너지 방출이 차단된다. 이론적으로 완벽한 에너지 보존이 가능한 개념이다. 실제 실험으로 구현할 때는 오차 등 구조적 결함으로 에너지 손실이 매우 적게 나타난다.</p>
          <p contents-hash="8cf0ada77684d8f3228d394e1f90a0c675f1c6cb7b4457bf615223729c8c90d1" dmcf-pid="3yCoHMhLnU" dmcf-ptype="general"> 과학자들은 자연에 없는 구조인 메타표면이나 광결정 등을 구현해 BIC 현상을 증명하는 데 성공했지만 단일 입자 내에서는 BIC가 존재할 수 없다고 생각했다.</p>
          <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="b1014fd889a203a5ea1ad78d5be17d64ed0c856226284a1c888c8269cc64b708" dmcf-pid="0WhgXRloLp" dmcf-ptype="figure">
           <p class="link_figure"><img alt="원통형 고체 입자로 구성된 입상 결정의 레이저 공진 실험 개략도. 포스텍 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202504/10/dongascience/20250410120418780zjnb.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="GAJbc0iBL9" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202504/10/dongascience/20250410120418780zjnb.jpg" width="658"></p>
           <figcaption class="txt_caption default_figure">
            원통형 고체 입자로 구성된 입상 결정의 레이저 공진 실험 개략도. 포스텍 제공
           </figcaption>
          </figure>
          <p contents-hash="0898d17b06f6741792e4d646bdd4c45eb523649443f8caa91d3eb94f2a07cd40" dmcf-pid="pYlaZeSgR0" dmcf-ptype="general">연구팀은 단일 입자 내에서도 BIC를 구현할 수 있다는 사실을 이론적·실험적으로 증명했다. 원통형 입상(granular) 결정으로 공진기를 만들고 공진기 사이의 접촉면을 정밀 조절해 파동끼리 결합하는 현상을 제어하자 단일 입자에서 외부로 에너지 방출이 사라지는 BIC가 구현됐다.</p>
          <p contents-hash="3d05baac54d241a823fa72b5bfd3ca5c78047ede0e183df29c5d5da0c6cd7e97" dmcf-pid="UGSN5dvai3" dmcf-ptype="general"> 연구팀이 개발한 시스템은 1000 이상의 품질 계수(Q-factor)를 기록했다. 품질 계수는 에너지가 효율적으로 보존되는 정도를 말한다. BIC의 이론적 품질 계수는 무한대고 실험으로 구현한 준-BIC의 품질 계수는 보통 수천에서 수만이다.</p>
          <p contents-hash="e3f6763b38ebca304f40115af78b43c21bfd39de75929b6612f5ff6790ea6b7a" dmcf-pid="uHvj1JTNLF" dmcf-ptype="general"> 노 교수는 "100년 가까이 이어진 이론적 한계를 깼다"며 "아직 기초연구 단계지만 연구결과가 에너지 수확 기술, 초고감도 센서, 통신 기술 등 다양한 분야에서 중요한 돌파구가 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.</p>
          <p contents-hash="ec4d6f1a2279024318944725d434bb4b8823ba311b4333b60e219d37cb3c70f4" dmcf-pid="7XTAtiyjet" dmcf-ptype="general"> &lt;참고 자료&gt;<br> - doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.136901</p>
          <p contents-hash="d9863736a5e82963018585e05126ef27f00986ca6d4cf18101f2cc47ae0b0db6" dmcf-pid="zZycFnWAR1" dmcf-ptype="general">[이병구 기자 2bottle9@donga.com]</p>
         </section> 
        </div> 
        <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아사이언스. 무단전재 및 재배포 금지.</p>

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