닐스 보어(Niels Bohr) 연구소의 과학자들은 양자 물리와 나노 물리의 두 세계를 결합하여 레이저 냉각 반도체 멤브레인을 위한 새로운 방법을 개발할 수 있게 하였다. 반도체는 태양전지, LED 및 다른 많은 전자기술에서 핵심적인 부품이며 이런 부품들을 효과적으로 냉각시키는 것은 차세대 양자 컴퓨터 및 초감도 센서에 매우 핵심적으로 중요하다. 이런 새로운 냉각 방법이 역설적으로 물질을 가열시킴으로써 작동한다. 레이저를 이용하여 과학자들은 멤브레인 요동을 섭씨 영하 269도로 냉각시켰다. 이 연구 결과는 네이처 물리(Nature Physics) 저널에 발표되었다.
실험에서, 연구진은 레이저를 이용하여 고체 물질을 효율적으로 냉각시키는 새로운 방법을 개발하는 데 성공하였다. 연구진은 두께가 160 나노미터이고 이전에는 실현하지 못하였던 1 x 1 mm ^2 의 표면 면적을 가진 반도체 멤브레인을 만들어 내었다. 실험에서, 연구진은 멤브레인이 레이저와 상호작용하게 만들어 기계적 움직임이 입사되는 빛에 영향을 미치도록 하였다. 연구진은 그들 실험의 물리학적 메커니즘을 면밀히 분석한 결과, 멤브레인의 특정한 진동 모드가 실온에서 섭씨 영하 269도로 냉각되는 것을 발견하였다. 이것은 멤브레인의 움직임과 광학적 공명 사이의 복잡하고 놀라운 상호작용의 결과이다.
원자들의 레이저 냉각은 닐 보어 연구소의 양자 광학 연구소에서 지난 몇 년동안 실험적으로 연구되었다. 이들 연구진은 집중된 레이저를 이용하여 절대영도 근처까지 세슘(Cesium) 원자들의 가스 구름을 냉각시켜 2개 원자 시스템들 사이에서 얽힘을 만들어 내었다. 원자 스핀은 얽히게 되었고 2개의 가스 구름은 양자 역학에 의해서 일종의 연결을 가지게 된다. 양자 광학 기술을 이용하여, 연구진은 원자 스핀의 양자 요동을 측정하였다.
코펜하게 대학에 위치한 닐스 보어 연구소의 유진 폴직(Eugene Polzok) 교수는, 그들 연구진이 양자 역학의 한계를 얼마나 더 확장시킬 수 있는지를 조사하고자 하였다고 하였다. 즉, 양자역학이 거시 세계의 물질에도 적용시킬 수 있는가 하는 문제와 같은 것이다. 그것은 광기계학(optomechanics)라고 불리는 것으로써, 빛과 기계적 운동 사이의 상호작용을 연구하는 완전히 새로운 가능성을 가지고 있는 영역이다.
2009년, 피터 로달(Peter Lodahl)은 닐스 보어 연구소에서, 반도체 물질인 갈륨비소(GaAs)로 만들어진 특별한 포토닉 결정 멤브레인을 보여주었다. 그 때 유진 폴직은 곧바로 이 나노멤브레인이 전기적, 광학적 장점이 있을 것으로 생각하고 피터 로달 그룹에게 이 물질로 광기계학 실험을 할 것을 제안하였다. 그러나 이런 실험을 위해서는 아주 특정한 크기를 필요로 하기 때문에 이것을 만족시키는 물질을 제작하는데 1년의 시간이 소요되었다. 연구진이 요구한 크기는 매우 제작하기가 여러운 것으로써 누구도 그것을 제작할 수 있을 것으로 생각하지 않았다고 연구진은 말하였다. 이 실험은 닐스 보어 연구소의 코지 우사미(Koji Usami) 에 의해서 수행되었다. 레이저 빛은 일련의 거울로 조절되는 반도체 나노멤브레인에 입사되었다.
코지 우사미는 실험에서, 그들이 진공 체임버안의 나노멤브레인에 레이저 빛을 입사시켰다고 설명하였다. 레이저 빛이 반도체 멤브레인에 입사되면, 일부 빛은 반사되고 실험에서 설치된 거울을 통하여 다시 뒤로 반사되어 빛은 공간상에서 전후로 진행하고 광학적 공명기를 형성하게 된다. 빛의 일부는 멤브레인에 의해서 흡수되고 자유 전자를 방출한다. 전자들은 붕괴되어 멤브레인을 가열시키고, 이것은 열팽창을 발생시킨다. 이런 방식으로, 멤브레인과 거울 사이의 거리는 일관되게 요동(fluctuation)의 형태로 변한다.
멤브레인과 거울 사이의 거리를 변화시키는 것은 멤브레인의 움직임과 반도체의 특성 및 광학적 공명 사이에 복잡한 상호작용을 유도한다. 이것은 새로운 광기계학적 메커니즘으로써, 새로운 발견의 핵심적인 요소이다. 비록 멤브레인이 전체적으로 약간 더 많은 열을 받지만, 멤브레인은 특정한 진동에서 냉각되고 냉각은 레이저 빛으로 조절될 수 있다. 따라서 그것은 열을 받음으로써 냉각된다는 일종의 모순이다. 연구진은 멤브레인 요동을 섭씨 영하 269도 까지 냉각시킬 수 있었다고 하였다.
광기계학의 잠재력은 양자 컴퓨터의 부품을 냉가시킬 수 있는 것이라고 연구진은 설명하였다. 빛에 의해서 반도체 나노멤브레인의 기계적 요동을 효율적으로 냉각시키는 것은 또한 전류 및 기계적 힘을 측정하는 새로운 센서의 개발도 가능하게 할 것이다. 그와 같은 냉각은 현재 사용되고 있는 값비싼 극저온 냉각 방법을 대체할 수 있을 것이다. 또한 양자 요동에 의해서 제한되는 극도로 민감한 센서의 개발도 가능하게 할 것이라고 연구진은 내다보고 있다.
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