기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질연구단 박혁규 연구위원(UNIST 자연과학부 교수·사진) 연구팀은 정보를 일로 전환하는 장치인 정보 엔진의 완전한 효율을 처음으로 달성했다고 25일 밝혔다.
정보 엔진은 '맥스웰의 도깨비'라는 물리학 개념에서 출발했다. 맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙인 '엔트로피는 감소하지 않는다'를 시험하기 위해 맥스웰이 고안한 사고실험이다. 이 실험은 어떤 가상의 존재(도깨비)가 온도가 같은 두 방 사이에 앉아 두 방문 사이에 오가는 기체 분자의 위치와 속도를 측정다고 가정한다. 이 도깨비는 문을 향해 다가오는 분자가 빠른지 느린지에 따라 문을 여닫는다. 이를 반복해 빠른 기체분자와 느린 분자를 각각 다른 방에 모으면 두 방의 온도가 달라지고 결국 엔트로피가 감소한다.
전통적으로 엔진이 바꿀 수 있는 일의 양은 열역학 제2법칙에 의해 제한됐다. 그러나 맥스웰 도깨비가 제안된 후 과학자들은 도깨비가 분자의 위치와 속도 '정보'를 온도 차를 만드는 '일'로 바꾼다는 것을 증명했다. 이후 열역학 제2법칙을 뛰어 넘을 수 있는 정보 엔진의 개념이 등장했다.
정보 엔진은 맥스웰의 도깨비와 마찬가지로 정보를 이용하는 원리다. 자연스럽게 정보를 고려해 열역학 제2법칙이 새롭게 수정됐고, 최근에 과학자들은 실제로 정보 엔진을 만들었다. 과학자들은 정보 엔진의 효율을 높이려 계속 시도했으나 이전까지는 최대 75%에 지나지 않았다.이번 연구의 핵심은 효율 100%의 정보 엔진을 실현했다는 데 있다. 연구진은 정보를 일로 전환할 수 있도록 주어진 온도에서 무작위한 방향으로 '브라운 운동'을 하는 작은 입자를 레이저 집게로 가두고, 입자가 오른쪽으로 치우칠 때마다 레이저를 아주 조금씩 오른쪽으로 이동시켰다. 이를 반복하면 무작위 방향으로 운동하던 입자들을 밀지 않고도 한 방향으로 움직이게 만들 수 있다. 입자의 위치 정보를 이용해 오른쪽으로 입자들을 옮긴 것이다. 입자의 위치 정보는 측정 레이저로 파악한다. 측정 레이저가 위치 정보를 측정하면 이를 연결된 컴퓨터가 판별하고 입자를 가둔 레이저 집게를 옮긴다. 이 시스템은 1㎚(나노미터·10억분의 1m) 단위로 입자 위치를 감지하고, 측정한 순간부터 20 마이크로 초(μ·100만 분의 1초) 이내에 레이저를 이동한다. 정보를 수 나노미터·수십 마이크로 초 단위의 정확도로 다뤘다. 박혁규 연구위원은 "이번 연구는 이용 가능한 정보를 100% 일로 변환한 엔진이라는 점에서 획기적"이라며 "이번 연구로 정보를 이용한 열 엔진의 실현이 앞당겨질 수도 있으며 이 원리를 이용한다면 나노로봇이 효율적으로 작동하는 데 매우 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다.이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)에 발표됐다.
남도영기자 namdo0@
[ 저작권자 ⓒ디지털타임스, 무단 전재 및 재배포 금지 ]
