완전히 새로운 형태의 집단 양자 반응 발견
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-01-07 22:11:59
4분 읽기
- 다이아몬드를 이용한 실험에서 새로운 형태의 초방사 현상, 새로운 집단 양자반응 발견
- 결정격자 내에서 연쇄반응으로 하나의 광자가 주변의 모든 들뜬 원자를 자극해 광자 방출
- 이 발견은 시계나 센서와 같은 실용적인 응용 분야에도 활용
다이아몬드는 귀중한 보석일 뿐만 아니라, 첨단 기술 소재로서 유망한 특성을 지니고 있다. 그중 하나가 바로 초방사 현상이다. 이 현상에서는 결정 격자 내에서 연쇄 반응이 일어나, 하나의 광자가 주변의 모든 여기된 원자를 자극해 광자를 방출하게 한다. 수 나노초 만에 짧고 강렬한 섬광이 발생한다. 원리적으로 이 초방사 현상은 레이저의 유도 방출과 유사하게 작용한다.
검은 다이아몬드의 양자 스핀
하지만 최근 물리학자들은 이 초방사 현상의 예상치 못한 변형을 발견했다. 실험을 위해 그들은 완벽하게 투명한 다이아몬드가 아닌, 의도적으로 결함을 만든 다이아몬드를 사용했다. "우리가 사용한 다이아몬드에는 탄소 원자 대신 질소 원자가 위치한 수조 개의 결함이 있다. 이것이 바로 다이아몬드가 투명하지 않고 검은색인 이유다"고 비엔나 공과대학교(TU Wien)의 제1 저자 벤젤 케르스텐(Wenzel Kersten)은 설명했다.
다이아몬드 격자 내의 이러한 NV 결함은 각각 아래쪽 또는 위쪽을 향하는 스핀을 가지고 있기 때문에 마치 큐비트처럼 양자 시스템으로 사용될 수 있다. 이러한 결함이 많은 다이아몬드에 자기장과 마이크로파를 가하면 결함이 여기되어 초방사 현상이 발생할 수 있다. "이것은 물리적으로 흥미로운 현상이지만, 우리에게는 이야기의 시작에 불과했다"고 케르스텐은 말했다.
놀랍도록 규칙적인 방사선 펄스
케르스텐과 그녀의 연구팀이 실험용 다이아몬드에 초방사 현상을 유발했을 때, 예상치 못한 현상이 나타났다. 초방사 펄스 이후 불과 몇 밀리초의 짧은 간격이 있었고, 그 후 다이아몬드는 일련의 추가 방사선 펄스를 방출했다. 이 마이크로파 펄스들은 결맞음(coherent)이 있고 규칙적이었다. 케르스텐의 동료인 올리버 디크만(Oliver Diekmann)은 "이것은 매우 예상치 못한 결과였으며 기존의 어떤 초방사 이론에도 부합하지 않았다"고 말했다.
놀라운 점은 다이아몬드 격자의 결함들이 규칙적으로 배열되어 있지 않고 각각 약간씩 다른 에너지를 가지고 있다는 것이다. 지금까지 이러한 결함들은 서로 제한적으로만 상호작용하는 고립된 시스템으로 여겨져 왔다. 일반적인 초방사 펄스에서는 특정 에너지값과 정확히 일치하는 결함 영역만 "방전"됩니다. 그 후에는 해당 에너지 값과 정확히 일치하는 스핀이 더 존재하지 않으므로 추가적인 방사선을 방출할 수 없다. 기존의 이해에 따르면, 이 과정에서 모든 것이 완료되어야 한다.
무질서에서 어떻게 결맞음 펄스가 발생하는가
하지만 실험에서는 예상과 다른 결과가 나타났다. 다이아몬드는 마치 스스로 재충전되는 듯 반복적으로 동일한 펄스를 방출했다. "이 펄스들은 레이저처럼 결맞음 상태다. 방출된 마이크로파 광자들은 모두 같은 속도로 진동한다"고 케르스텐은 설명했다. 하지만 다이아몬드 격자에 존재하는 불규칙하고 에너지적으로 매우 다른 결함들을 고려할 때, 이러한 레이저와 같은 질서 있는 행동은 예상치 못한 결과다.
"알고 보니, 바로 이러한 무질서가 질서정연한 마이크로파 펄스를 만들어내는 원인이었다"고 케르스텐의 동료인 엘레나 레드첸코는 말했다. 추가 분석 결과, 서로 다른 결함들이 에너지를 교환할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 일부 스핀은 초방사 현상을 유발하는 정확한 에너지 값에 도달한다. "이 에너지 상태가 충분히 채워지면 또 다른 방전이 발생하고 새로운 마이크로파 펄스가 생성된다"고 연구진은 설명한다.
“근본적으로 새로운 형태의 집단 양자 행동”
이번 발견으로 물리학자들은 새로운 형태의 초방사 현상과 결맞음 복사 펄스를 생성하는 새로운 방법을 밝혀냈다. 일본 오키나와 과학기술대학의 공동 저자 윌리엄 먼로는 “본질적으로 이 시스템은 자율적으로 작동한다”고 말하며, “이러한 스핀-스핀 상호작용은 일련의 마이크로파 전이를 유발하여 근본적으로 새로운 형태의 집단 양자 행동을 드러낸다”고 설명했다.
이 발견은 시계나 센서와 같은 실용적인 응용 분야에도 활용될 수 있다. 비엔나 공과대학교의 수석 저자 요르그 슈미트마이어는 “미세한 전기장이나 자기장 변화를 측정하는 것이 가능해질 수 있다”고 설명했다. 이러한 다이아몬드를 이용하면 초방사 고체 메이저(마이크로파 레이저)도 구현할 수 있을 것이다.
참고: Nature Physics, 2026; doi: 10.1038/s41567-025-03123-0
출처: 비엔나 공과대학교
- 다이아몬드를 이용한 실험에서 새로운 형태의 초방사 현상, 새로운 집단 양자반응 발견
- 결정격자 내에서 연쇄반응으로 하나의 광자가 주변의 모든 들뜬 원자를 자극해 광자 방출
- 이 발견은 시계나 센서와 같은 실용적인 응용 분야에도 활용
다이아몬드에서 놀라운 빔 펄스 발생
물리학자들이 완전히 새로운 형태의 집단 양자 반응을 발견했다.
다이아몬드를 이용한 펄스 레이저:
물리학자들은 다이아몬드를 이용한 실험에서 새로운 형태의 초방사 현상, 즉 새로운 집단 양자 반응을 발견했다. 마이크로파를 조사한 다이아몬드는 강렬한 단일 광을 방출했을 뿐만 아니라, 마치 마이크로파 펄스 레이저처럼 일련의 일관된 광 펄스를 생성했다. 이 놀라운 현상은 기존의 어떤 초방사 이론에도 부합하지 않지만, 다이아몬드 격자 내 결함의 예상치 못한 상호작용으로 설명될 수 있다고 연구팀은 "네이처 피직스(Nature Physics)"에 발표했다.
 |
| ▲ 다이아몬드 격자의 결함은 놀라울 정도로 일관되고 규칙적인 방사선 펄스를 생성할 수 있다. © TU Wien |
다이아몬드는 귀중한 보석일 뿐만 아니라, 첨단 기술 소재로서 유망한 특성을 지니고 있다. 그중 하나가 바로 초방사 현상이다. 이 현상에서는 결정 격자 내에서 연쇄 반응이 일어나, 하나의 광자가 주변의 모든 여기된 원자를 자극해 광자를 방출하게 한다. 수 나노초 만에 짧고 강렬한 섬광이 발생한다. 원리적으로 이 초방사 현상은 레이저의 유도 방출과 유사하게 작용한다.
검은 다이아몬드의 양자 스핀
하지만 최근 물리학자들은 이 초방사 현상의 예상치 못한 변형을 발견했다. 실험을 위해 그들은 완벽하게 투명한 다이아몬드가 아닌, 의도적으로 결함을 만든 다이아몬드를 사용했다. "우리가 사용한 다이아몬드에는 탄소 원자 대신 질소 원자가 위치한 수조 개의 결함이 있다. 이것이 바로 다이아몬드가 투명하지 않고 검은색인 이유다"고 비엔나 공과대학교(TU Wien)의 제1 저자 벤젤 케르스텐(Wenzel Kersten)은 설명했다.
다이아몬드 격자 내의 이러한 NV 결함은 각각 아래쪽 또는 위쪽을 향하는 스핀을 가지고 있기 때문에 마치 큐비트처럼 양자 시스템으로 사용될 수 있다. 이러한 결함이 많은 다이아몬드에 자기장과 마이크로파를 가하면 결함이 여기되어 초방사 현상이 발생할 수 있다. "이것은 물리적으로 흥미로운 현상이지만, 우리에게는 이야기의 시작에 불과했다"고 케르스텐은 말했다.
 |
| ▲ 다이아몬드 탄소 격자 내에 질소 원자와 그 옆에 있는 빈자리로 구성된 NV 오점© NIST |
놀랍도록 규칙적인 방사선 펄스
케르스텐과 그녀의 연구팀이 실험용 다이아몬드에 초방사 현상을 유발했을 때, 예상치 못한 현상이 나타났다. 초방사 펄스 이후 불과 몇 밀리초의 짧은 간격이 있었고, 그 후 다이아몬드는 일련의 추가 방사선 펄스를 방출했다. 이 마이크로파 펄스들은 결맞음(coherent)이 있고 규칙적이었다. 케르스텐의 동료인 올리버 디크만(Oliver Diekmann)은 "이것은 매우 예상치 못한 결과였으며 기존의 어떤 초방사 이론에도 부합하지 않았다"고 말했다.
놀라운 점은 다이아몬드 격자의 결함들이 규칙적으로 배열되어 있지 않고 각각 약간씩 다른 에너지를 가지고 있다는 것이다. 지금까지 이러한 결함들은 서로 제한적으로만 상호작용하는 고립된 시스템으로 여겨져 왔다. 일반적인 초방사 펄스에서는 특정 에너지값과 정확히 일치하는 결함 영역만 "방전"됩니다. 그 후에는 해당 에너지 값과 정확히 일치하는 스핀이 더 존재하지 않으므로 추가적인 방사선을 방출할 수 없다. 기존의 이해에 따르면, 이 과정에서 모든 것이 완료되어야 한다.
무질서에서 어떻게 결맞음 펄스가 발생하는가
하지만 실험에서는 예상과 다른 결과가 나타났다. 다이아몬드는 마치 스스로 재충전되는 듯 반복적으로 동일한 펄스를 방출했다. "이 펄스들은 레이저처럼 결맞음 상태다. 방출된 마이크로파 광자들은 모두 같은 속도로 진동한다"고 케르스텐은 설명했다. 하지만 다이아몬드 격자에 존재하는 불규칙하고 에너지적으로 매우 다른 결함들을 고려할 때, 이러한 레이저와 같은 질서 있는 행동은 예상치 못한 결과다.
 |
| ▲ 실험 및 시뮬레이션에서 관찰된 초방사 및 후속 펄스(a), NV 결함의 모식도(b), 그리고 결함 스핀들의 쌍별 상호작용(c). © Kersten et al./ Nature Physics, CC-by 4.0 |
"알고 보니, 바로 이러한 무질서가 질서정연한 마이크로파 펄스를 만들어내는 원인이었다"고 케르스텐의 동료인 엘레나 레드첸코는 말했다. 추가 분석 결과, 서로 다른 결함들이 에너지를 교환할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 따라서 일부 스핀은 초방사 현상을 유발하는 정확한 에너지 값에 도달한다. "이 에너지 상태가 충분히 채워지면 또 다른 방전이 발생하고 새로운 마이크로파 펄스가 생성된다"고 연구진은 설명한다.
“근본적으로 새로운 형태의 집단 양자 행동”
이번 발견으로 물리학자들은 새로운 형태의 초방사 현상과 결맞음 복사 펄스를 생성하는 새로운 방법을 밝혀냈다. 일본 오키나와 과학기술대학의 공동 저자 윌리엄 먼로는 “본질적으로 이 시스템은 자율적으로 작동한다”고 말하며, “이러한 스핀-스핀 상호작용은 일련의 마이크로파 전이를 유발하여 근본적으로 새로운 형태의 집단 양자 행동을 드러낸다”고 설명했다.
이 발견은 시계나 센서와 같은 실용적인 응용 분야에도 활용될 수 있다. 비엔나 공과대학교의 수석 저자 요르그 슈미트마이어는 “미세한 전기장이나 자기장 변화를 측정하는 것이 가능해질 수 있다”고 설명했다. 이러한 다이아몬드를 이용하면 초방사 고체 메이저(마이크로파 레이저)도 구현할 수 있을 것이다.
참고: Nature Physics, 2026; doi: 10.1038/s41567-025-03123-0
출처: 비엔나 공과대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
