중수소와 수소의 양자 터널 반응을 처음으로 관찰
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-03-07 00:22:49
3'10" 읽기
- 양자 터널링을 통해 실제로 필요한 에너지 임계값 아래에서도 화학 반응 발생 가능
- 반응 속도는 1천억 건의 충돌당 약 1건의 반응
- 터널 효과는 주사 터널링 현미경과 플래시 메모리에서 중요한 역할
- 터널링이 극도로 낮은 온도에서 화학 반응을 가능하게 함
거시 세계와 양자 물리학에는 다른 법칙이 적용된다. 예를 들어 양자 세계에서 입자는 에너지 또는 물리적 장벽을 통과할 수 있다. 이것은 입자의 위치와 거동이 확률에 의해 결정되기 때문에 가능하다. 입자가 장벽 너머에 있을 확률은 적지만 있다.
확인하기 어려운 터널링
예를 들어 화학에서 양자 터널링은 분자의 원자가 위치를 바꾸거나 화학 반응이 실제로 필요한 임계 에너지 미만에서 발생하도록 한다. "복잡한 양자 역학으로 인해 이러한 터널 반응은 이론적으로 모델링하기 어렵고 실험적 검증도 매우 어렵다"고 인스부르크 대학의 로버트 파일드(Robert Wild)와 그의 동료들은 설명했다.
문제:
터널 효과로 인한 반응은 거의 비확률적이다. 그 결과, 관련된 입자가 거의 없는 경우에만 발생하며 어느 정도 은밀하다. Wild와 그의 동료들은 이제 한편으로는 관찰하기 쉽고 다른 한편으로는 양자 역학의 과정을 설명하기에 충분히 간단한 반응을 발견했다.
콜드 트랩(냉각 함정)의 중수소 이온 및 분자 수소
실험을 위해 연구원들은 음전하를 띤 중수소 이온(D-)(중성자가 추가된 수소 동위원소)과 분자 수소(H2)의 반응을 선택했다. 이러한 반응물이 이온 트랩에서 절대 영도보다 몇 도 이상 냉각되면 중수소 이온은 충돌 시 기존 방식으로 수소 분자와 반응할 에너지가 부족하다.
그러나 터널링을 통해 드문 경우지만 두 파트너가 충돌할 때 반응이 발생할 수 있다. 그런 다음 양성자를 교환하고 수소 이온(H-)과 수소 중수소 분자(HD)가 형성된다. "실험에서 우리는 약 15분 동안 트랩에서 가능한 반응을 제공한 다음 형성된 수소 이온의 양을 결정했다"며 "그들의 수로부터 우리는 얼마나 자주 반응이 있었는지 유추할 수 있다"고 와일드(Wild)는 설명했다.
은밀한 터널 반응
측정 결과는 다음과 같다. 테스트 시작 약 950초 후 측정 결과 수소 이온의 증가가 나타났다. "그들의 밀도는 입방 센티미터당 2.8x10＾14였으며, 이는 실제로 반응이 일어났다는 것을 나타낸다"고 Wild와 그의 팀은 보고했다. 그들이 결정한 반응 속도는 1천억 건의 충돌당 약 1건의 반응이었다. "이 속도는 이러한 온도에서 분자 수소와 중수소 이온의 터널링 속도에 대한 양자 이론적 예측과 매우 잘 일치한다"고 팀은 말했다.
연구원들은 양자 역학 프로세스의 추가 분석 및 이론적 재구성을 통해 관찰 내용을 보완했다. 화학 반응의 터널 효과에 대한 정확한 이론적 모델이 있는 것은 이번이 처음이다. "이것은 분자 이론의 벤치마크 역할을 할 수 있으며 근본적인 충돌 과정을 더 잘 이해하는 데 기여한다"고 과학자들은 썼다.
전자공학, 현미경 및 천체화학에 대한 중요성
새로운 연구 결과를 바탕으로 연구자들은 이제 화학 반응에 대한 더 간단한 이론적 모델을 개발하고 성공적으로 입증된 반응에서 이를 테스트할 수 있다. 이것은 기초 연구뿐만 아니라 실제 응용에도 중요하다. 예를 들어, 터널 효과는 주사 터널링 현미경과 플래시 메모리에서 중요한 역할을 한다. 원자핵의 알파 붕괴는 양자 터널링을 사용하여 설명할 수도 있다.
터널링이 극도로 낮은 온도에서 화학 반응을 가능하게 한다는 사실은 또한 천체화학에서 중요한 역할을 하며 심지어 생명의 중요한 구성 요소를 형성하기도 한다. 관찰에 따르면 생명의 생화학적 구성 요소의 전구체는 우주의 어두운 성간 구름에 존재한다. 이 극도로 추운 환경에서 필요한 반응이 어떻게 일어날 수 있는지는 현재 불확실하다. 터널링은 가능한 솔루션을 제공할 수 있다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05727-z)
출처: Universität Innsbruck
- 양자 터널링을 통해 실제로 필요한 에너지 임계값 아래에서도 화학 반응 발생 가능
- 반응 속도는 1천억 건의 충돌당 약 1건의 반응
- 터널 효과는 주사 터널링 현미경과 플래시 메모리에서 중요한 역할
- 터널링이 극도로 낮은 온도에서 화학 반응을 가능하게 함
양자 터널링에서 수소 포착
과학자들은 중수소와 수소의 터널 반응을 처음으로 관찰했다.
에너지 장벽 통과:
양자 터널링을 통해 실제로 필요한 에너지 임계값 아래에서도 화학 반응이 일어날 수 있다. 연구진은 이제 이러한 양자 물리 터널 반응을 처음으로 실험적으로 관찰하고 이를 양자 모델로 재현했다. 음전하를 띤 중수소 이온이 터널링의 경우에 분자 수소와 반응한다. 이것은 지금까지 관찰된 하전 입자와 관련된 가장 느린 반응이다.
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| ▲ 양자 터널링은 입자가 에너지 장벽을 뚫을 수 있게 하여 예를 들어 에너지 임계값 아래에서 화학 반응이 일어날 수 있도록 한다. © Harald Ritsch/ 인스부르크 대학교 |
거시 세계와 양자 물리학에는 다른 법칙이 적용된다. 예를 들어 양자 세계에서 입자는 에너지 또는 물리적 장벽을 통과할 수 있다. 이것은 입자의 위치와 거동이 확률에 의해 결정되기 때문에 가능하다. 입자가 장벽 너머에 있을 확률은 적지만 있다.
확인하기 어려운 터널링
예를 들어 화학에서 양자 터널링은 분자의 원자가 위치를 바꾸거나 화학 반응이 실제로 필요한 임계 에너지 미만에서 발생하도록 한다. "복잡한 양자 역학으로 인해 이러한 터널 반응은 이론적으로 모델링하기 어렵고 실험적 검증도 매우 어렵다"고 인스부르크 대학의 로버트 파일드(Robert Wild)와 그의 동료들은 설명했다.
문제:
터널 효과로 인한 반응은 거의 비확률적이다. 그 결과, 관련된 입자가 거의 없는 경우에만 발생하며 어느 정도 은밀하다. Wild와 그의 동료들은 이제 한편으로는 관찰하기 쉽고 다른 한편으로는 양자 역학의 과정을 설명하기에 충분히 간단한 반응을 발견했다.
콜드 트랩(냉각 함정)의 중수소 이온 및 분자 수소
실험을 위해 연구원들은 음전하를 띤 중수소 이온(D-)(중성자가 추가된 수소 동위원소)과 분자 수소(H2)의 반응을 선택했다. 이러한 반응물이 이온 트랩에서 절대 영도보다 몇 도 이상 냉각되면 중수소 이온은 충돌 시 기존 방식으로 수소 분자와 반응할 에너지가 부족하다.
그러나 터널링을 통해 드문 경우지만 두 파트너가 충돌할 때 반응이 발생할 수 있다. 그런 다음 양성자를 교환하고 수소 이온(H-)과 수소 중수소 분자(HD)가 형성된다. "실험에서 우리는 약 15분 동안 트랩에서 가능한 반응을 제공한 다음 형성된 수소 이온의 양을 결정했다"며 "그들의 수로부터 우리는 얼마나 자주 반응이 있었는지 유추할 수 있다"고 와일드(Wild)는 설명했다.
은밀한 터널 반응
측정 결과는 다음과 같다. 테스트 시작 약 950초 후 측정 결과 수소 이온의 증가가 나타났다. "그들의 밀도는 입방 센티미터당 2.8x10＾14였으며, 이는 실제로 반응이 일어났다는 것을 나타낸다"고 Wild와 그의 팀은 보고했다. 그들이 결정한 반응 속도는 1천억 건의 충돌당 약 1건의 반응이었다. "이 속도는 이러한 온도에서 분자 수소와 중수소 이온의 터널링 속도에 대한 양자 이론적 예측과 매우 잘 일치한다"고 팀은 말했다.
연구원들은 양자 역학 프로세스의 추가 분석 및 이론적 재구성을 통해 관찰 내용을 보완했다. 화학 반응의 터널 효과에 대한 정확한 이론적 모델이 있는 것은 이번이 처음이다. "이것은 분자 이론의 벤치마크 역할을 할 수 있으며 근본적인 충돌 과정을 더 잘 이해하는 데 기여한다"고 과학자들은 썼다.
전자공학, 현미경 및 천체화학에 대한 중요성
새로운 연구 결과를 바탕으로 연구자들은 이제 화학 반응에 대한 더 간단한 이론적 모델을 개발하고 성공적으로 입증된 반응에서 이를 테스트할 수 있다. 이것은 기초 연구뿐만 아니라 실제 응용에도 중요하다. 예를 들어, 터널 효과는 주사 터널링 현미경과 플래시 메모리에서 중요한 역할을 한다. 원자핵의 알파 붕괴는 양자 터널링을 사용하여 설명할 수도 있다.
터널링이 극도로 낮은 온도에서 화학 반응을 가능하게 한다는 사실은 또한 천체화학에서 중요한 역할을 하며 심지어 생명의 중요한 구성 요소를 형성하기도 한다. 관찰에 따르면 생명의 생화학적 구성 요소의 전구체는 우주의 어두운 성간 구름에 존재한다. 이 극도로 추운 환경에서 필요한 반응이 어떻게 일어날 수 있는지는 현재 불확실하다. 터널링은 가능한 솔루션을 제공할 수 있다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05727-z)
출처: Universität Innsbruck
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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