KAIST

< (왼쪽부터) 민범기 교수, 이경민 박사과정 >

빛과 원자의 상호작용에서 핵심적인 ‘자발 방출(spontaneous emission)’ 현상이 광자 시간결정(Photonic Time Crystal, PTC) 안에서 새로운 양상으로 나타난다는 사실이 규명됐다. KAIST 연구진이 주도한 이번 연구는 기존 이론을 뒤집고, 더 나아가 새로운 ‘자발 방출 여기(spontaneous emission excitation)’ 현상을 예측하였다.

우리 대학은 물리학과 민범기 교수 연구팀은 신소재공학과 신종화 교수, 기계공학과 전원주 교수, 물리학과 조길영 교수 및 IBS 연구단, UC버클리, 홍콩과기대 등과 협력하여, 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 2022년 Science에 실린 논문에서 제기된 ‘소멸’이 아니라, 반대로 향상된 값을 갖는다는 점을 입증했다고 밝혔다. 또한, 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이하며 동시에 광자를 방출하는 새로운 과정인 ‘자발 방출 여기’ 현상도 예측하였다.

< 양자 방출체(또는 원자)가 시간적으로 매우 빠르게 주기적으로 변화하는 환경에 놓였을 때의 자발 방출 붕괴율(왼쪽)과 자발 방출 여기율(오른쪽) >

자발 방출은 원자가 스스로 광자를 방출하는 과정으로, 양자광학과 광소자 연구의 기초가 된다. 지금까지는 공진기나 광자결정 같은 공간 구조를 설계해 자발 방출을 제어해왔으나, 매질의 굴절률을 시간적으로 주기적으로 변조하는 광자 시간결정이 등장하면서, 시간축에서의 제어 가능성이 주목받고 있다.

기존 이론은 광자 시간결정에서 자발 방출 붕괴율이 특정 주파수에서 완전히 사라진다고 예측했지만, 이번 연구는 반대로 붕괴율이 현저히 향상됨을 처음으로 증명했다. 이는 비직교 모드 효과에 기인하는 것으로, 비보존 광학 연구의 중요성을 부각시켰다.

연구팀은 또한, 원자가 바닥 상태에서 에너지를 얻어 들뜬 상태로 올라가면서 동시에 광자를 방출하는 ‘자발 방출 여기’라는 새로운 과정을 예측하여 보고했다. 이는 시간결정 매질이 외부에서 에너지를 공급함으로써 가능해진 비평형 과정으로, 기존 평형 광학에서는 설명할 수 없는 새로운 빛-물질 상호작용 현상이다.

이번 연구 결과는 자발 방출 연구의 패러다임을 근본적으로 전환시키며, 향후 양자 광원 설계, 비평형 양자광학 등 폭넓은 분야로 응용될 수 있다.

민범기 교수는 “이번 성과는 시간적으로 빠르게 변화하는 환경 하에서 자발 방출을 설명하는 근본 이론을 재정립한 것으로, 자발 방출 붕괴의 향상과 ‘자발 방출 여기’ 현상은 빛-물질 상호작용 연구의 패러다임을 바꿀 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 이경민 박사과정생이 제1저자로 참여했으며, 그 결과는 2025년 9월 23일자 국제 학술지 Physical Review Letters 온라인판에 게재되었고, 동시에 Physics.org에서 하이라이트되었으며, 편집자 추천(Editors' Suggestion) 논문으로 선정되었다. 이 연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행되었다.

※ 논문명 : *Spontaneous emission decay and excitation in photonic time crystals*