우리원 첨단연성물질 연구단 박혁규 연구위원이 이끄는 연구진이 효율 100% 정보 엔진을 구현했다. ‘정보를 일로 전환한다’는 새로운 틀에서 완전한 효율을 달성한 것은 이번이 처음이다. 손실 없는 엔진을 구현해 이론적으로 가능한 최대한의 일을 뽑아낼 수 있다는 의미다.

정보 엔진은 ‘맥스웰의 도깨비’라는 물리학 개념에서 출발했다. 맥스웰의 도깨비는 열역학 제2법칙인 ‘엔트로피(Entropy)¹⁾는 감소하지 않는다’를 시험하기 위해 맥스웰이 고안한 사고실험이다. 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.

▲ 맥스웰의 사고실험에 등장하는 도깨비. 방 A, B 사이에서 작은 문을 잡고 있다가, 빠른 기체 분자와 느린 기체분자를 선별해 반대편으로 통과시킨다. 이 과정을 반복하면 방 A는 빠른 기체분자로 채워져 온도가 높아지고 방 B는 느린 분자로 채워져 온도가 낮아진다. 맥스웰의 도깨비는 정보 엔진이 등장하는데 이론적 토대를 제공했다.

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 브라운운동²⁾을 하는 작은 입자를 레이저 집게로 가두고, 입자가 오른쪽으로 치우칠 때마다 레이저를 아주 조금씩 오른쪽으로 이동시켰다.

입자의 위치 정보는 측정 레이저로 파악한다. 입자의 위치가 L기준선보다 왼쪽일 때는 아무 변화가 없지만(a) 입자 위치가 L기준선보다 오른쪽(회색 영역)에 들어가면, 레이저 빛의 위치를 2L만큼 오른쪽으로 옮긴다(b). 높은 위치에너지를 가지던 입자는 레이저 빛의 위치가 옮겨지면 낮은 위치에너지 상태로 가라앉는다. 입자는 옮겨진 레이저 빛의 중심인 2L 부근에서 브라운 운동을 하고, 결과적으로 오른쪽으로 이동한다.

측정 레이저가 위치 정보를 측정하면 이를 연결된 컴퓨터가 판별하고 입자를 가둔 레이저 집게를 옮기는 순서다. 이를 반복하면 무작위 방향으로 운동하던 입자들을 밀지 않고도 한 방향으로 움직이게 만들 수 있다. 입자의 위치 정보를 이용해 오른쪽으로 입자들을 옮긴 것이다.

이 시스템은 1nm(나노미터, 1nm = 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 다룬 것이다. 제1 저자인 고빈드 파네루 연구위원은 “정보 엔진이 정보를 낭비하지 않는 이유는 입자 위치를 파악하고 레이저로 피드백을 주기까지 일련의 과정이 이상적인 수준으로 정확하고 빠르게 이뤄지기 때문”이라고 설명했다.

맥스웰의 사고실험에 이번 연구를 비교하면 다음과 같다. 맥스웰의 도깨비는 입자의 위치와 속도를 측정하고 빠른지 느린지 판별한 다음, 가운데 있는 문을 연다. 연구진의 실험에서는 입자 위치를 컴퓨터가 측정, 판별해 조건에 맞으면 레이저를 이동시킨다. 컴퓨터가 이 실험의 도깨비 역할을 한 셈이다. 맥스웰의 도깨비가 분자의 ‘운동 에너지’ 정보를 이용해 ‘온도차’를 만든 것에 비해, 연구진이 구현한 정보 엔진은 입자의 ‘위치 에너지’ 정보를 이용해 입자를 이동시켰다. 맥스웰의 도깨비가 두 가지 온도를 갖는 엔진인 반면 이번 실험에서는 균일한 온도에서 입자의 위치 정보를 이용해 오른쪽으로 이동시키는 운동만을 뽑아냈다.

▲ 완전한 맥스웰의 도깨비를 실험실에서 구현한 이번 연구를 전통적인 맥스웰의 도깨비와 비교한 모식도.

연구를 이끈 박혁규 연구위원은 “정보에서 일을 끌어낼 수 있다는 건 이론적으로나 실험적으로 증명된 바 있으나 실제 정보 엔진의 효율은 이론적으로 가능한 양에 훨씬 미치지 못했다. 본 연구는 이용가능한 정보를 100% 일로 변환한 엔진이라는 점에서 획기적”이라고 말했다. 또한 “이번 연구로 정보를 이용한 열 엔진의 실현이 앞당겨질 수도 있으며 이 원리를 이용한다면 나노로봇이 효율적으로 작동하는 데 매우 중요한 역할을 할 것”이라고 전망했다.
  - 박혁규 연구위원 인터뷰 기사 보기 "부드러운 분야는 제가 최고죠"

▲ 이번 연구를 이끈 연구진들의 사진. 고빈드 파네루 연구위원(왼쪽), 박혁규 연구위원(가운데),
츠비 틀루스티 그룹리더(오른쪽)

이번 연구결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, IF=8.462)에 1월 12일 금요일(현지시간)에 출간됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
고은경