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알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용

슈뢰딩거의 고양이하이젠베르크의 불확정성의 원리아인슈타인의 광양자설플랑크의 에너지 불연속폴 디랙의 양자 정리 등 양자역학(양자물리학)은 광자와 전자를 중심으로 이 세계의 숨은 진실을 찾기 위해 수 많은 물리학자들이 총동원된 학문이다.

2차 세계대전을 기점으로 과학문명의 급진적 발전 또한 양자역학에 바탕을 두고 있으며핵연료의 사용과 제어도 양자물리학의 이해를 바탕으로 한다.

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용

양자역학 이론들은 기존의 고전 물리학적 질서에 반하거나상식적으로 이해하기 어려운 개념들을 쏟아 내, 물리학자들 조차 이론을 정립해 나가는데 많은 애를 먹었다하지만 이미 양자역학은 원자론기체 분자론과 같이 만물의 근원인 원자/분자/광자 등을 이해하는 기본원리가 되었고알게 모르게 이미 기초 학문처럼 특정 분야가 아닌 전반적인 영역에서 그 빛을 발하고 있다이번 글에서는 일상으로 들어온 양자역학의 사례들과 다가올 미래기술을 소개하면서 한 해 동안 연재 한 양자역학 이야기를 마무리 짓고자 한다.

 

양자중첩으로 설명되는 공유결합 분자와 반도체 원리

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용▲양자중첩 상태인 공유결합을 이루는 2원자 분자(Pearson Benjamin Cummings)

물질을 이루는 원소 중 산소불소염소의 공통점은 바로 단일 원자상태가 아닌 분자상태로 존재한다는 점이다O2, F2, Cl2와 같이 두 개의 원자가 결합한 형태라 2원자 분자(diatomic molecules)라 부르며이웃한 원자의 전자를 공유하는 공유결합의 특징을 갖고 있다원래 전자들은 존재 확률에 기반해 각각의 위치량과 운동량을 지니고 있지만공유결합 내에서는 양자 중첩 상태(양쪽에 동시에 존재)를 보이며 결합된 상태에서도 안정을 유지한다공유결합이 일어나는 특정 영역에서 존재확률이 높은 상태를 지니게 된다이처럼 2원자 분자는 하나의 산소 원자와 다른 산소 원자가 공유중인 전자 2개를 각자 서로의 것으로 동시에 느끼는 양자중첩 상태를 유지하는 것이다분자에 대한 기본적인 이해가 양자역학을 바탕으로 이루어진 예다.

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용▲도체반도체부도체에 관한 에너지 갭(Energyeducation.ca)

공유 결합의 또 다른 예로 반도체가 있다전기가 통하는 물질을 도체와 부도체로 나누고그 중간의 성질을 갖는 물질을 반도체라고 부른다그림과 같이 물질마다 에너지갭(energy gap)이라는 것이 존재하는데이 갭이 크면 전기가 통하지 않고갭이 작으면 전기가 잘 통한다갭이 작을수록 전자가 쉽게 이동한다는 뜻이다.

도체는 두 개의 밴드가 붙어있어서 전자의 이동이 수월하다부도체는 에너지 갭이 너무 커서 외부에서 공급된 에너지가 강해야 전자의 점프가 일어난다반도체는 전도대와 가전자대가 적절한 수준을 지니고 있기에 외부 전압 조절로 에너지밴드갭(band-gap)을 줄일 수 있어서 손쉽게 전자 이동이 가능하다.

밴드갭이 작아 점프하는 전자는 여러 개의 원자에서 공유된 상태를 보이는데이 또한 에너지 중첩상태를 보이는 것으로 양자역학적 해석에 기반한다컴퓨터의 기본 요소인 트랜지스터광촉매와 태양전지가 바로 반도체의 대표적인 물질이라고 할 수 있다.

 

레이저 – 복사의 유도 방출을 통한 빛의 증폭

양자역학의 대표적인 응용사례는 바로 레이저다레이저(LASER)는 유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light amplification by stimulated emission of radiation)의 영어 단어 첫 글자를 따서 만든 말로서 유도 방출로 증폭된 빛 또는 그러한 빛을 내는 장치를 뜻한다원자내 전자가 안정된 바닥상태에 있다고 가정하자이때외부 에너지 공급을 통해 모두 들뜨게 만들고불안정한 상태를 벗어나면서 빛을 방출하는 과정에서 레이저가 작동한다.

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용

에너지의 불연속성을 밝힌 플랑크 덕분에 전자궤도의 불연속성이 입증되었다에너지가 낮은 ‘바닥 상태의 전자는 외부의 광 에너지를 받아서 언제나 상위 궤도(들뜬 상태)로 양자점프를 할 수 있고반대로 에너지를 외부로 내보내면서 바닥으로 내려올 수도 있다앞서 설명한 바와 같이전자가 본래의 안정된 전자 궤도로 회복되는 과정에서 빛을 방출하게 되고 이때 기술적으로 동일한 파장대의 빛을 방출하게 만들어 증폭시키는 것이 바로 레이저다원자에서 방출된 빛을 두 개의 거울 사이를 수없이 왕복시키면 빛이 증폭되고 파장이 균일해지는데이때 우리가 아는 레이저가 발산된다.

 

양자 가둠 효과를 이용한 QD 디스플레이

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용

볼록한 브라운관 TV그리고 LCD를 지나 디스플레이 기술은 QD를 기반으로 진화하고 있다. QD는 퀀텀닷(quantum dot, 양자점)을 의미한다퀀텀닷은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체성 입자를 지칭하며외부 자극에 의해 스스로 발광할 수 있는 물질이다발광의 원리는 양자 가둠 효과(quantum confinement effect)라고 불리며퀀텀닷은 반도체성 물질이므로 당연히 앞서 설명한 에너지밴드갭을 지니게 된다두 개의 밴드갭 사이에서 전자가 점프하고 다시 회복되는 과정에서 밴드갭의 크기에 따라 방출되는 빛의 세기와 파장이 달라진다색이 다르게 표현된다는 뜻이다.

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용▲퀀텀닷 입자의 크기에 따른 발광 파장 변화

양자상태인 전자의 점프를 특정 간격내에 점프하지 못하도록 구속했다고 하여 양자 가둠 효과라고 한다반도체 나노입자의 크기가 작을수록 밴드갭이 커지므로 QD 입자가 작으면 청색계열을 발광한다물질의 크기 변화만으로도 발광 특성을 변화시킬 수 있다이 말은 물질내 에너지 상태가 불연속적으로 양자화되어 있다는 뜻이 된다퀀텀닷의 크기만 잘 조절하면 RGB 광원을 쉽게 만들 수 있기에 혼합에 의한 총천연색을 표현할 수 있다.

 

정확성의 극한에 이른 원자 시계

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용▲양자역학을 이용한 원거리 원자시계의 동기화(Quantum Information, 40, 2018)

현존하는 가장 정확한 시계는 원자시계라 하지만전 세계에 퍼져 있는 원자시계를 동시에 같은 시각을 표현하는 동기화는 쉽지 않은 일이다이처럼 표준시의 완벽한 동기화는 위성측위 시스템의 정확도를 향상시켜 자동항복 운항, GPS, 자율주행 등의 정확성정밀성 개선에 도움을 준다.

동기화의 기본은 양자 얽힘이라는 현상을 바탕으로 한다태초에 두 개의 입자는 서로 양자적으로 얽혀 있었기에한 입자의 상태가 결정되면 다른 입자의 상태가 즉시 결정되는 양자 얽힘을 이용하면 각국의 표준시를 완벽하게 동기화 시킬 수 있다. 1개의 원자시계의 시각이 결정되면그 주변의 원자시계의 시각은 자동으로 결정된다이로써 세계는 단 하나의 원자시계만을 갖도록 만들 수 있다.

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기- 양자역학의 활용

이외에도앞으로 다가올 미래의 기술 분야로 자주 언급되는 양자암호를 이용한 네트워크 보안큐비트를 이용한 양자컴퓨팅초고감도 양자센서플라즈마 핵융합 등이 양자역학에 기반하고 있다양자역학은 파인만이 얘기한 것처럼 누구도 충분히 이해했다고 자신 있게 말할 수는 없지만이미 우리는 양자역학적 현실에서 살아가고 있다존재를 확률로 따지고 에너지가 불연속적이라고 설명되는 양자라는 세계는 자세히 보지 않으면 모두 연속적이고 무한한 것처럼 보이기에 우리가 직관적으로 받아들이기 힘든 경우가 많다. 하지만 우리는 지구가 둥글다는 사실을 눈으로 직접 보지 않아도 진실을 안다.

양자의 세계도 우리 눈으로는 결코 보이지 않는 너무나 작은 세상이지만, 실제 우리를 포함한 이 세상을 구성하는 기본이라는 점을 부인할 수 없다. 양자에 대한 더 깊은 이해는 우리가 살고 있는 세상에 대한 이해를 높일 것이며, 양자역학은 인류의 미래를 이끌어 갈 핵심 과학기술로 그 중요도가 더 높아질 것이다.

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