▲ 광자들의 얽힘 현상을 유도해낸 캐나다고등연구원 Alex Hayat.

LED와 같은 무작위 광원에 초전도라는 물리적 현상을 더해 LED에서 방출되는 광자들 사이에 얽힘이 발생한다는 것이 증명돼 새로운 방식의 양자소자를 개발할 수 있는 길이 열렸다.

알렉스 하야트(Alex Hayat)가 주도한 토론토대(University of Toronto) 물리학자 팀이 발광다이오드(LED)와 초전도체를 결합시켜서 ‘얽힌 광자’를 발생시켰다고 밝혔다.

전문가들은 이번 연구를 통해 발생된 ‘얽힘(entanglement)’이라는 양자물리학 현상을 활용하면 양자컴퓨터와 양자통신을 포함한 양자기술에 쓰일 소자들은 물론, 다양한 새로운 물리학이 개척될 것으로 전망하고 있다.

얽힘은 입자들이 쌍으로 상관관계를 가져 거리에 상관없이 예측 가능한 상호작용을 할 때 일어난다. 얽혀 있는 쌍의 한쪽 특성을 측정하면 나머지 한쪽의 특성을 그 즉시 알게 된다.

이것은 양자역학의 가장 복잡한 면모들 중 하나고 아인슈타인은 이 현상을 ‘원격환영작용(spooky action at a distance)’이라고 불렀다.

이 효과는 쿠퍼쌍(Cooper pairs)으로 전자들이 얽힐 때 생긴다. 쿠퍼쌍은 하나의 전자가 한 방향으로 회전하고, 나머지 전자가 반대 방향으로 회전하는 현상이다.

이와 같은 초전도 재료로 이루어진 하나의 층이 반도체 LED 구조와 가까이 접촉되도록 놓이면, 쿠퍼쌍이 LED 속으로 주입돼 얽힌 전자 쌍들이 얽힌 광자 쌍을 만든다. 하지만 이 효과는 나노미터 두께의 활성영역인 양자우물을 이용하는 LED에서만 작용하는 것으로 밝혀졌다.

알렉스 하야트 캐나다고등연구원이자 글로벌학자는 “양자특성은 원래 전자나 원자와 같이 작은 규모에서 관찰되는데 초전도는 양자 효과들이 전자부품이나 전체 회로와 같은 큰 규모에서 나타날 수 있도록 한다”면서 “이러한 양자 행동은 광 방출을 크게 향상시켜 얽힌 광자 방출도 향상된다”고 설명했다.

이번 연구는 응집물질현상과 재료물리학을 전문으로 다루는 국제 저널인 ‘Physical Review B’에 3월10일 발표됐다.