최초로 시간의 이중 슬릿 실험 수행
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2023-04-07 16:31:44
3'00" 읽기
- 일시적인 "슬릿"은 색상 스펙트럼에서 간섭 효과를 만든다.
- 시공간에서 빛을 제어하는 물질 개발을 위한 발판 역할
이중 슬릿 실험은 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나다. 광자, 전자, 원자 또는 분자의 빔이 두 개의 슬릿이 있는 다이어프램을 겨냥하면 그 뒤에 있는 검출기에서 밝고 어두운 줄무늬의 간섭 패턴이 생성된다. 이것은 입자가 서로를 증폭하거나 상쇄할 수 있는 파동으로도 반응한다는 것을 확인시켜준다. 이 간섭은 하나의 입자 와 반물질에서도 관찰할 수 있다.
반사 변화는 일시적인 "슬롯"을 만든다.
이제 물리학자들은 한 단계 더 나아가 처음으로 공간이 아닌 시간에 이중 슬릿 실험을 수행했다. 두 개의 인접한 슬릿 대신 광선이 수백 펨토초 간격으로 잠깐 열리고 닫히는 물질을 통과한다. Imperial College London의 Romain Tirole과 그의 팀 보고서에 따르면 이것은 시간적으로 분리된 두 개의 "슬롯"을 생성한다.
물리학자들은 실험을 위해 디스플레이, 터치 스크린, 유기발광다이오드 등에 사용되는 반도체 재료 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용했다. 예를 들어 짧은 레이저 펄스의 형태로 에너지를 공급함으로써 반사를 변경하고 거의 투명한 상태에서 거의 불투명하고 높은 반사 상태로 변경할 수 있다. 이중 슬릿 실험에서 인듐 주석 산화물의 2개의 매우 짧은 불침투성 상이 "슬릿" 역할을 했다.
연구원들은 1,300나노미터의 파장을 가진 적외선 테스트 빔으로 처음에 투명한 ITO를 조사했고, 그 빔은 60도 각도로 충돌했습니다. 탐지기는 반대쪽 60도 각도에서 반사된 빛을 등록했습니다. 대부분의 경우 반도체 재료가 투명했기 때문에 방사선이 거의 없었습니다. 두 개의 짧은 "슬릿" 단계 동안에만 ITO가 입사 테스트 빔을 반사했습니다. "측정된 반사율은 시간적 이중 슬릿의 형태를 가집니다."라고 Tirole과 그의 팀은 말합니다.
시간적 이중 슬릿 확산 색상 스펙트럼
결과:
고전적인 이중 슬릿과 달리 시간 변형은 방사선의 공간적 분포를 변경하지 않고 주파수를 변경한다. 따라서 빛은 다른 파장으로 분산된다. "테스트 광선은 스펙트럼으로 확장되고 원래 캐리어 주파수에서 최대 10개 대역폭까지 떨어진 새로운 주파수를 보여준다"고 물리학자들은 보고했다. 따라서 이전보다 더 넓은 주파수 범위의 방사선이 검출기에 도달한다.
즉, 시간 이중 슬릿은 광선의 색상을 변경한다. 그 결과로 상호 작용하는 서로 다른 색상의 광파가 생성된다. 이 간섭은 일부 파장을 증폭시키면서 다른 파장을 감쇠시키거나 상쇄시킨다. 밝은 영역과 어두운 영역의 줄무늬 패턴 대신 주파수 진동의 컬러 팔레트가 검출기에서 생성된다.
빛의 본질에 대한 새로운 통찰
"우리는 고전적인 이중 슬릿 실험의 시간적 버전을 수행했다"고 Tirole과 그의 동료들은 썼다. "시간적 개구부를 두 번 통과한 광선은 주파수 스펙트럼에 간섭을 생성한다." 측정 결과에서 알 수 있듯이 "슬릿" 사이의 시간적 거리는 간섭하는 주파수 진동의 "폭"에 영향을 미친다. 각 시간 슬롯의 모양에 따라 얼마나 많은 간섭 대역이 표시되는지 결정된다.
"따라서 우리의 실험은 빛의 근본적인 특성에 대해 더 많은 것을 보여준다"고 Imperial College London의 수석 저자인 Riccardo Sapienza는 말했다. "동시에 시공간에서 빛을 제어하는 물질 개발을 위한 발판 역할을 할 수 있다."
(Nature Physics, 2023; doi: 10.1038/s41567-023-01993- w )
출처: Imperial College London
- 일시적인 "슬릿"은 색상 스펙트럼에서 간섭 효과를 만든다.
- 시공간에서 빛을 제어하는 물질 개발을 위한 발판 역할
시간의 이중 슬릿 실험
일시적인 "슬릿"은 색상 스펙트럼에서 간섭 효과를 만든다.
공간 대신 시간:
물리학자들은 공간 "슬릿" 대신 시간적 "슬릿"을 사용해 처음으로 유명한 이중 슬릿 실험을 수행했다. 구멍의 개구부는 서로 옆에 있는 것이 아니라 매우 짧은 시간 간격으로 서로 이어집니다. 이로 인해 광선의 주파수가 퍼지고 상호 작용한다. 이것은 연구팀이 Nature Physics에 보고한 것처럼 입사 광파의 공간적 위치가 아닌 색상 스펙트럼에서 간섭을 생성한다.
 |
| ▲ 인접한 슬릿이 있는 고전적인 이중 슬릿 실험. © TarikVision/ 게티 이미지 |
이중 슬릿 실험은 물리학에서 가장 유명한 실험 중 하나다. 광자, 전자, 원자 또는 분자의 빔이 두 개의 슬릿이 있는 다이어프램을 겨냥하면 그 뒤에 있는 검출기에서 밝고 어두운 줄무늬의 간섭 패턴이 생성된다. 이것은 입자가 서로를 증폭하거나 상쇄할 수 있는 파동으로도 반응한다는 것을 확인시켜준다. 이 간섭은 하나의 입자 와 반물질에서도 관찰할 수 있다.
반사 변화는 일시적인 "슬롯"을 만든다.
이제 물리학자들은 한 단계 더 나아가 처음으로 공간이 아닌 시간에 이중 슬릿 실험을 수행했다. 두 개의 인접한 슬릿 대신 광선이 수백 펨토초 간격으로 잠깐 열리고 닫히는 물질을 통과한다. Imperial College London의 Romain Tirole과 그의 팀 보고서에 따르면 이것은 시간적으로 분리된 두 개의 "슬롯"을 생성한다.
물리학자들은 실험을 위해 디스플레이, 터치 스크린, 유기발광다이오드 등에 사용되는 반도체 재료 인듐 주석 산화물(ITO)을 사용했다. 예를 들어 짧은 레이저 펄스의 형태로 에너지를 공급함으로써 반사를 변경하고 거의 투명한 상태에서 거의 불투명하고 높은 반사 상태로 변경할 수 있다. 이중 슬릿 실험에서 인듐 주석 산화물의 2개의 매우 짧은 불침투성 상이 "슬릿" 역할을 했다.
연구원들은 1,300나노미터의 파장을 가진 적외선 테스트 빔으로 처음에 투명한 ITO를 조사했고, 그 빔은 60도 각도로 충돌했습니다. 탐지기는 반대쪽 60도 각도에서 반사된 빛을 등록했습니다. 대부분의 경우 반도체 재료가 투명했기 때문에 방사선이 거의 없었습니다. 두 개의 짧은 "슬릿" 단계 동안에만 ITO가 입사 테스트 빔을 반사했습니다. "측정된 반사율은 시간적 이중 슬릿의 형태를 가집니다."라고 Tirole과 그의 팀은 말합니다.
시간적 이중 슬릿 확산 색상 스펙트럼
결과:
고전적인 이중 슬릿과 달리 시간 변형은 방사선의 공간적 분포를 변경하지 않고 주파수를 변경한다. 따라서 빛은 다른 파장으로 분산된다. "테스트 광선은 스펙트럼으로 확장되고 원래 캐리어 주파수에서 최대 10개 대역폭까지 떨어진 새로운 주파수를 보여준다"고 물리학자들은 보고했다. 따라서 이전보다 더 넓은 주파수 범위의 방사선이 검출기에 도달한다.
 |
| ▲ 여기에 수직으로 세워진 반도체 소재 인듐주석산화물(ITO)로 만든 셔터가 타임슬롯을 생성했다. © Thomas Angus/ Imperial College London |
즉, 시간 이중 슬릿은 광선의 색상을 변경한다. 그 결과로 상호 작용하는 서로 다른 색상의 광파가 생성된다. 이 간섭은 일부 파장을 증폭시키면서 다른 파장을 감쇠시키거나 상쇄시킨다. 밝은 영역과 어두운 영역의 줄무늬 패턴 대신 주파수 진동의 컬러 팔레트가 검출기에서 생성된다.
빛의 본질에 대한 새로운 통찰
"우리는 고전적인 이중 슬릿 실험의 시간적 버전을 수행했다"고 Tirole과 그의 동료들은 썼다. "시간적 개구부를 두 번 통과한 광선은 주파수 스펙트럼에 간섭을 생성한다." 측정 결과에서 알 수 있듯이 "슬릿" 사이의 시간적 거리는 간섭하는 주파수 진동의 "폭"에 영향을 미친다. 각 시간 슬롯의 모양에 따라 얼마나 많은 간섭 대역이 표시되는지 결정된다.
"따라서 우리의 실험은 빛의 근본적인 특성에 대해 더 많은 것을 보여준다"고 Imperial College London의 수석 저자인 Riccardo Sapienza는 말했다. "동시에 시공간에서 빛을 제어하는 물질 개발을 위한 발판 역할을 할 수 있다."
(Nature Physics, 2023; doi: 10.1038/s41567-023-01993- w )
출처: Imperial College London
[더사이언스플러스=문광주 기자]
[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]
