최초로 포톤(Photons, 광자)의 모습 시각화에 성공
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-12-02 11:58:41
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- 광자는 지구상의 모든 에너지의 주요 원천이며 수많은 기술의 기초 형성
- 들뜬 나노입자가 광자를 방출하는 방법과 이것이 가장 작은 규모에서 어떻게 행동하는지, 그리고 전파와 관련해 정확하게 설명하는 모델 개발
- 모델의 일종의 부산물로서 우리는 이 광자의 이미지 생성
광자는 전자기 방사선의 캐리어 입자이므로 모든 빛의 캐리어 입자이기도 하다. 이들은 지구상의 모든 에너지의 주요 원천이며 수많은 기술의 기초를 형성한다. 파동이자 입자인 빛의 이중적 특성뿐 아니라 빛과 물질의 상호작용도 여기서 중요한 역할을 한다. 이는 고에너지 방사선이 원자를 들뜨게 하고 이온화할 때 작용할 뿐만 아니라 들뜬 원자가 형광에서 광자를 방출할 때도 작용한다.
모델에 비해 너무 복잡해
하지만 광자는 어떻게 생겼을까? 전자기 복사의 기본 단위는 어떤 형태를 가지고 있을까? 빛에 대한 수십 년의 연구에도 불구하고, 이 질문은 지금까지 대답하기 어려웠다. 그 이유는 다음과 같다. "광자를 전기장의 근본적인 들뜬 상태로 상상해야 한다"고 버밍엄 대학교의 수석 저자 벤자민 유엔(Benjamin Yuen)이 설명했다. 가벼운 입자는 방사선의 가장 작은 단위이지만 매우 변화 가능하다.
Yuen의 동료인 Angela Demetriadou는 “광자의 모양, 색상, 심지어 존재 가능성까지 기본적으로는 그것이 형성된 환경의 기하학적 특성과 광학적 특성에 따라 형성된다”고 설명했다. 가벼운 입자의 구체적인 표현을 설명하려면 무한한 수의 요소를 고려해야 한다. 일반적이면서도 동시에 정확한 특성을 파악하기에는 너무 많다.
솔루션 도우미로서의 수학 트릭
이제 Yuen과 Demetriadou는 수학적 트릭을 사용해 문제를 해결했다. Yuen은 “우리의 계산을 통해 겉으로는 다루기 힘든 문제를 컴퓨터를 사용해 계산할 수 있는 문제로 변환할 수 있었다”고 설명했다. 구체적으로 그들은 가능한 상태를 일련의 개별 상태로 결합하고 계산한 다음 나중에 완전한 복잡성을 다시 허용함으로써 관리하기 어려운 연속체를 단순화했다.
이를 통해 팀은 들뜬 나노입자가 광자를 방출하는 방법과 이것이 가장 작은 규모에서 어떻게 행동하는지, 그리고 전파와 관련하여 정확하게 설명하는 모델을 개발할 수 있었다. "그리고 이 모델의 일종의 부산물로서 우리는 이 광자의 이미지를 생성할 수도 있었다. 이는 물리학에서 이전에 한 번도 수행된 적이 없는 일이다"고 Yuen은 말했다.
먼저 광자의 모양을 살펴보
따라서 모델의 나노입자에 의해 방출되는 빛 입자는 레몬과 유사한 모양을 가지며 특정 패턴의 자연 진동이 특징이다. 그러나 처음으로 시각화된 이 가벼운 입자의 모습은 Yuen이 강조한 것처럼 조사된 사례에만 국한된다. “모양은 환경 조건에 따라 완전히 변한다”고 그는 말했다. 따라서 이는 예를 들어 새로운 나노 포토닉 기술을 통해 광자의 특성을 구체적으로 조정할 수 있는 기회도 열어준다.
"우리의 연구는 빛과 물질의 상호 작용뿐만 아니라 빛이 어떻게 근거리와 원거리로 전파되는지 더 잘 이해하는 데 도움이 된다"며 "이런 방식으로 우리는 광자 센서, 더 나은 태양 전지 또는 양자 컴퓨팅과 같은 미래 응용 분야를 위한 광물질 상호 작용에 구체적으로 영향을 미칠 수 있는 기반을 마련하고 있다"고 유엔은 설명했다.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.133.203604) )
출처: University of Birmingham
- 광자는 지구상의 모든 에너지의 주요 원천이며 수많은 기술의 기초 형성
- 들뜬 나노입자가 광자를 방출하는 방법과 이것이 가장 작은 규모에서 어떻게 행동하는지, 그리고 전파와 관련해 정확하게 설명하는 모델 개발
- 모델의 일종의 부산물로서 우리는 이 광자의 이미지 생성
물리학자들이 최초로 광자의 모습 시각화에 성공
최초로 빛의 단일 입자의 모습을 드러냄
“Luminous” 초연:
물리학자들은 모든 빛의 기본 단위인 단일 광자의 모습을 시각화하는 데 처음으로 성공했다. 이러한 획기적인 발전은 이전보다 더 정확한 나노입자로부터의 광자 방출을 재구성하는 모델을 사용해 달성됐다. 부작용으로 이 가벼운 입자의 모양과 진동 모드, 그리고 이러한 특성이 생성된 조건에 따라 어떻게 형성되는지도 밝혀졌다.
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| ▲ 이 레몬 같은 구조는 광자다. 이는 단일 빛 입자의 모양을 최초로 시각화한 것이다. © Benjamin Yuen |
광자는 전자기 방사선의 캐리어 입자이므로 모든 빛의 캐리어 입자이기도 하다. 이들은 지구상의 모든 에너지의 주요 원천이며 수많은 기술의 기초를 형성한다. 파동이자 입자인 빛의 이중적 특성뿐 아니라 빛과 물질의 상호작용도 여기서 중요한 역할을 한다. 이는 고에너지 방사선이 원자를 들뜨게 하고 이온화할 때 작용할 뿐만 아니라 들뜬 원자가 형광에서 광자를 방출할 때도 작용한다.
모델에 비해 너무 복잡해
하지만 광자는 어떻게 생겼을까? 전자기 복사의 기본 단위는 어떤 형태를 가지고 있을까? 빛에 대한 수십 년의 연구에도 불구하고, 이 질문은 지금까지 대답하기 어려웠다. 그 이유는 다음과 같다. "광자를 전기장의 근본적인 들뜬 상태로 상상해야 한다"고 버밍엄 대학교의 수석 저자 벤자민 유엔(Benjamin Yuen)이 설명했다. 가벼운 입자는 방사선의 가장 작은 단위이지만 매우 변화 가능하다.
Yuen의 동료인 Angela Demetriadou는 “광자의 모양, 색상, 심지어 존재 가능성까지 기본적으로는 그것이 형성된 환경의 기하학적 특성과 광학적 특성에 따라 형성된다”고 설명했다. 가벼운 입자의 구체적인 표현을 설명하려면 무한한 수의 요소를 고려해야 한다. 일반적이면서도 동시에 정확한 특성을 파악하기에는 너무 많다.
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| ▲ 진공으로 둘러싸여 있고 반경 ???? →∞의 경계 체적(점선)으로 둘러싸인 구형 나노입자(파란색)의 개략도. QE(빨간색)는 모드의 전기장(보라색)과 상호 작용한다. 상호 작용 스펙트럼(오른쪽)은 나노입자 기하학에 의해 형성된다. (출처: Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments / Physical Review Letters) |
솔루션 도우미로서의 수학 트릭
이제 Yuen과 Demetriadou는 수학적 트릭을 사용해 문제를 해결했다. Yuen은 “우리의 계산을 통해 겉으로는 다루기 힘든 문제를 컴퓨터를 사용해 계산할 수 있는 문제로 변환할 수 있었다”고 설명했다. 구체적으로 그들은 가능한 상태를 일련의 개별 상태로 결합하고 계산한 다음 나중에 완전한 복잡성을 다시 허용함으로써 관리하기 어려운 연속체를 단순화했다.
이를 통해 팀은 들뜬 나노입자가 광자를 방출하는 방법과 이것이 가장 작은 규모에서 어떻게 행동하는지, 그리고 전파와 관련하여 정확하게 설명하는 모델을 개발할 수 있었다. "그리고 이 모델의 일종의 부산물로서 우리는 이 광자의 이미지를 생성할 수도 있었다. 이는 물리학에서 이전에 한 번도 수행된 적이 없는 일이다"고 Yuen은 말했다.
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| ▲ (a) (5, 0, 4) 및 (b) (8, 0, 3) 의사 모드의 강도 분포는 0 |
먼저 광자의 모양을 살펴보
따라서 모델의 나노입자에 의해 방출되는 빛 입자는 레몬과 유사한 모양을 가지며 특정 패턴의 자연 진동이 특징이다. 그러나 처음으로 시각화된 이 가벼운 입자의 모습은 Yuen이 강조한 것처럼 조사된 사례에만 국한된다. “모양은 환경 조건에 따라 완전히 변한다”고 그는 말했다. 따라서 이는 예를 들어 새로운 나노 포토닉 기술을 통해 광자의 특성을 구체적으로 조정할 수 있는 기회도 열어준다.
"우리의 연구는 빛과 물질의 상호 작용뿐만 아니라 빛이 어떻게 근거리와 원거리로 전파되는지 더 잘 이해하는 데 도움이 된다"며 "이런 방식으로 우리는 광자 센서, 더 나은 태양 전지 또는 양자 컴퓨팅과 같은 미래 응용 분야를 위한 광물질 상호 작용에 구체적으로 영향을 미칠 수 있는 기반을 마련하고 있다"고 유엔은 설명했다.
(Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.133.203604) )
출처: University of Birmingham
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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