물리학자들이 “양자 불꽃”을 가시화했다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2024-05-13 20:19:35
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조명 효과를 통해 최초로 터널링 전자를 직접 관찰할 수 있다.
거의 150년 전, 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)는 두 개의 충전된 금속 공 사이에서 스파크가 어떻게 튀어오르고 짧은 거리에 있는 연결되지 않은 두 개의 금속 공 사이에서 두 번째 스파크가 발생하는지 관찰했다. 분명히 전자기파의 무선 전송이 있었던 것 같다. 이는 통신 기술에 혁명을 일으켰고 라디오의 기초를 제공했다.
매우 유사한 과정이 원자 규모에서도 발생한다. 이론에 따르면 원자 규모에서도 전자 간의 상호 작용으로 인해 두 원자 사이에 일종의 스파크가 발생할 수 있다. 그러나 이렇게 극도로 짧고 작은 양자 스파크를 관찰하는 것은 결코 쉽지 않다. “빛의 진동 주기당 소수의 전자의 헤르츠 방출을 감지하는 것은 처음에는 불가능한 것처럼 들렸다”고 Regensburg 대학의 수석 저자인 Tom Siday는 말했다.
원자 미세 팁 및 테라헤르츠 펄스 사용
이를 달성하려면 공간과 시간 모두에서 매우 높은 해상도를 갖는 방법이 필요하다. 이를 위해 Siday와 협력하는 물리학자들은 주사 탐침 현미경의 정확한 공간 분해능과 순수한 광학 신호 측정을 결합한 특수 현미경을 개발했다. “전자장치는 놀라울 정도로 민감하지만 광파에 의한 양자 스파크를 직접 추적하기에는 너무 느리다. 이것이 바로 방출된 빛의 진동을 직접 관찰해야 하는 이유다"고 레겐스부르크 대학의 수석 저자인 Rupert Huber는 설명했다.
특히, NOTE(Near-Field Optical Tunneling Emission)라는 프로세스는 주사 터널링 현미경과 유사한 원자적으로 미세한 금속 팁으로 구성된다. 이는 샘플 표면의 원자에 가까워집니다. 그런 다음 원자 몇 개 너비에 불과한 그들 사이의 간격에 테라헤르츠 방사선의 초단파 펄스가 가해진다. "팁과 샘플 사이의 광학적 상호 작용은 산란된 빛의 진폭, 파장 및 위상에서 드러난다"고 팀은 설명했다.
궤도가 겹치는 비고전적 신호
물리학자들이 현미경의 끝부분을 샘플에 너무 가까이 가져가서 양쪽 원자의 전자 궤도가 겹치기 시작했을 때 뭔가 이상한 것이 분명해졌다. Siday와 Huber는 “그러면 비전통적인 신호가 나타난다”며 "이것은 팁과 샘플 사이의 전자 터널링으로 인한 방출 과정에서 비롯된다"고 보고했다.
즉, 양자 물리적 파동 특성으로 인해 전자가 위치 확률을 팁에서 샘플 원자로 또는 그 반대로 이동할 수 있다. 우리 세계로 번역하면, 이는 사람이 문 양쪽에 동시에 서 있는 것과 같다. 이러한 터널링은 차례로 광학적 반응, 즉 비전통적인 "양자 스파크"를 유발한다.
터널링을 가시화하는 '퀀텀 스파크’
전자의 터널링은 방출된 테라헤르츠 방사선의 진동 전기장을 변화시켜 일종의 헤르츠 스파크의 양자 버전을 생성한다. "NOTE는 들어오고 나가는 광파가 진동 기간의 4분의 1만큼 시간에 따라 이동했음을 보여줄 수 있었을 때 탄생했다. 우리의 실험에서는 1/4조분의 1초에 불과했다"고 Siday의 동료인 Johannes Hayes는 설명했다.
이 발견 덕분에 물질파가 원자 길이 규모에서 느린 동작으로 흐르는 것을 볼 수 있다고 물리학자들은 설명한다. 따라서 NOTE는 말하자면 나노우주와의 통신 채널인 전자의 양자 이동에 대한 완전히 새로운 관점을 열어준다. 처음으로 이 과정을 통해 개별 원자의 길이 규모와 1조분의 1초 미만의 시간 규모에서 과정을 광학적으로 직접 관찰할 수 있게 되었다.
광범위한 의미
이번 연구에 참여하지 않은 쓰쿠바 대학의 물리학자 사토 슌스케(Shunsuke Sato)는 “이 실험적 접근 방식은 원자 수준에서 초고속 역학 관찰에 있어 중요한 진전을 나타내며 광범위한 의미를 가질 가능성이 높다”고 말했다. NOTE는 기초 연구에서 몇 가지 공개 질문을 명확히 할 수 있을 뿐만 아니라 향후 데이터 처리 및 데이터 저장에도 유용할 수 있다.
참고: Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07355-7)
출처: 레겐스부르크 대학교
조명 효과를 통해 최초로 터널링 전자를 직접 관찰할 수 있다.
물리학자들이 “양자 불꽃”을 가시화했다.
조명 효과를 통해 최초로 터널링 전자를 직접 관찰할 수 있다.
원자 규모의 스파크 점프:
물리학자들은 작은 빛의 스파크가 1조분의 1초도 안 되는 시간에 한 원자에서 다른 원자로 점프하는 방식을 처음으로 관찰했다. 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 스파크 실험의 양자 버전을 시연하고 터널링 중에 전자를 포착하는 데 성공한 것은 이번이 처음이다. 팀이 "Nature"에서 보고한 것처럼 이는 이전에는 해결할 수 없었던 현미경과 원자 관찰 규모에 침투할 수 있는 새로운 기회를 열어준다.
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| ▲ 전자가 금속 팁의 최전방 원자와 샘플 사이를 앞뒤로 터널링할 때 특징적인 빛 방출, 즉 양자 스파크가 생성된다. 물리학자들은 이제 처음으로 이것을 증명했다. © Brad Baxley |
거의 150년 전, 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)는 두 개의 충전된 금속 공 사이에서 스파크가 어떻게 튀어오르고 짧은 거리에 있는 연결되지 않은 두 개의 금속 공 사이에서 두 번째 스파크가 발생하는지 관찰했다. 분명히 전자기파의 무선 전송이 있었던 것 같다. 이는 통신 기술에 혁명을 일으켰고 라디오의 기초를 제공했다.
매우 유사한 과정이 원자 규모에서도 발생한다. 이론에 따르면 원자 규모에서도 전자 간의 상호 작용으로 인해 두 원자 사이에 일종의 스파크가 발생할 수 있다. 그러나 이렇게 극도로 짧고 작은 양자 스파크를 관찰하는 것은 결코 쉽지 않다. “빛의 진동 주기당 소수의 전자의 헤르츠 방출을 감지하는 것은 처음에는 불가능한 것처럼 들렸다”고 Regensburg 대학의 수석 저자인 Tom Siday는 말했다.
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| ▲ 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 실험: 두 개의 금속 공 사이의 전기 회로에서 생성된 불꽃은 멀리 떨어져 있는 두 개의 금속 공이 불꽃을 일으키게 하는 전자기파를 생성한다. © DMGualtieri/CC-by-sa 3.0 |
원자 미세 팁 및 테라헤르츠 펄스 사용
이를 달성하려면 공간과 시간 모두에서 매우 높은 해상도를 갖는 방법이 필요하다. 이를 위해 Siday와 협력하는 물리학자들은 주사 탐침 현미경의 정확한 공간 분해능과 순수한 광학 신호 측정을 결합한 특수 현미경을 개발했다. “전자장치는 놀라울 정도로 민감하지만 광파에 의한 양자 스파크를 직접 추적하기에는 너무 느리다. 이것이 바로 방출된 빛의 진동을 직접 관찰해야 하는 이유다"고 레겐스부르크 대학의 수석 저자인 Rupert Huber는 설명했다.
특히, NOTE(Near-Field Optical Tunneling Emission)라는 프로세스는 주사 터널링 현미경과 유사한 원자적으로 미세한 금속 팁으로 구성된다. 이는 샘플 표면의 원자에 가까워집니다. 그런 다음 원자 몇 개 너비에 불과한 그들 사이의 간격에 테라헤르츠 방사선의 초단파 펄스가 가해진다. "팁과 샘플 사이의 광학적 상호 작용은 산란된 빛의 진폭, 파장 및 위상에서 드러난다"고 팀은 설명했다.
궤도가 겹치는 비고전적 신호
물리학자들이 현미경의 끝부분을 샘플에 너무 가까이 가져가서 양쪽 원자의 전자 궤도가 겹치기 시작했을 때 뭔가 이상한 것이 분명해졌다. Siday와 Huber는 “그러면 비전통적인 신호가 나타난다”며 "이것은 팁과 샘플 사이의 전자 터널링으로 인한 방출 과정에서 비롯된다"고 보고했다.
즉, 양자 물리적 파동 특성으로 인해 전자가 위치 확률을 팁에서 샘플 원자로 또는 그 반대로 이동할 수 있다. 우리 세계로 번역하면, 이는 사람이 문 양쪽에 동시에 서 있는 것과 같다. 이러한 터널링은 차례로 광학적 반응, 즉 비전통적인 "양자 스파크"를 유발한다.
터널링을 가시화하는 '퀀텀 스파크’
전자의 터널링은 방출된 테라헤르츠 방사선의 진동 전기장을 변화시켜 일종의 헤르츠 스파크의 양자 버전을 생성한다. "NOTE는 들어오고 나가는 광파가 진동 기간의 4분의 1만큼 시간에 따라 이동했음을 보여줄 수 있었을 때 탄생했다. 우리의 실험에서는 1/4조분의 1초에 불과했다"고 Siday의 동료인 Johannes Hayes는 설명했다.
이 발견 덕분에 물질파가 원자 길이 규모에서 느린 동작으로 흐르는 것을 볼 수 있다고 물리학자들은 설명한다. 따라서 NOTE는 말하자면 나노우주와의 통신 채널인 전자의 양자 이동에 대한 완전히 새로운 관점을 열어준다. 처음으로 이 과정을 통해 개별 원자의 길이 규모와 1조분의 1초 미만의 시간 규모에서 과정을 광학적으로 직접 관찰할 수 있게 되었다.
광범위한 의미
이번 연구에 참여하지 않은 쓰쿠바 대학의 물리학자 사토 슌스케(Shunsuke Sato)는 “이 실험적 접근 방식은 원자 수준에서 초고속 역학 관찰에 있어 중요한 진전을 나타내며 광범위한 의미를 가질 가능성이 높다”고 말했다. NOTE는 기초 연구에서 몇 가지 공개 질문을 명확히 할 수 있을 뿐만 아니라 향후 데이터 처리 및 데이터 저장에도 유용할 수 있다.
참고: Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07355-7)
출처: 레겐스부르크 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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