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  • 단일층 그래핀 속의 안정적인 회절 구조등록일 : 2015/08/28
  • 양자 물리학에서 거대한 입자들은 파장처럼 행동할 수 있다고 알려져 있다. 이런 현상은 격자에서 물질파의 회절로 증명되었다. 유럽연합의 연구진은 매우 작은 격자를 이용해서 분자의 비편재화를 관찰했다. 이 격자는 단일 층 원자로 구성되었다. 이 연구는 물질파 기술의 한계를 보여주고 있다. 이것은 유명한 Gedanken 실험과 유사하다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 게재되었다.

    물질의 양자 역학적 파동 특성은 고해상도 전자 현미경, 고체 상태 재료에 대한 중성자 기반의 연구, 원자들로 작동되는 매우 민감한 관성 센서(inertial sensor)와 같은 수많은 현대 기술들의 기반이 된다. 비엔나 대학(University of Vienna)의 Markus Arndt 교수가 이끄는 이번 연구진은 이러한 기술들이 큰 분자들과 클러스터로 확장될 수 있다는 것을 증명했다.

    거대 물체의 양자 역학적 특성을 증명하기 위해서, 이것은 비편재화되어야 하고, 하이젠베르크의 불확정성 방정식에 의해서 달성된다. 분자들이 점과 같은 광원에서 방출되면, 그들은 잠시 동안 그들의 위치를 잊어버리고 재편재화된다. 만약 당신이 격자를 설치한다면, 그들이 어떤 슬릿을 통과했는지를 알지 못한다. 이것은 그들이 동시에 몇 개의 슬릿을 횡단하는 것처럼 보이기 때문이다. 이것은 회절 또는 간섭 패턴이라고 알려진 격자에 대한 입자의 특징적인 분포를 초래하고, 입자의 양자 기계적 파장 특성을 고려해야만 이해할 수 있다.

    텔 아비스 대학(Tel Aviv University)과 NANOQUESTFIT의 과학자들이 포함된 이번 연구진은 이러한 격자들이 매우 얇은 멤브레인에서 제조될 수 있다는 것을 최초로 증명했다. 이번 연구진은 집속 이온빔을 이용해서 실리콘 질화물, 비페닐(biphenyl) 분자, 탄소로 구성된 초박막 멤브레인을 투과 마스크로 가공했고, 그들을 초고해상도 전자 현미경으로 분석했다. 이번 연구진은 원자적으로 매우 얇은 단일층 그래핀 속에 안정적이면서 충분히 큰 격자를 제조하는데 성공했다.

    이번 연구진의 이전 양자 실험의 경우에, 회절 마스크의 두께는 모발 직격의 백 분의 일 정도로 매우 얇았다. 그러나 이러한 구조들은 수십 개의 원자들로 구성된 분자들의 회절을 측정하기 위해서는 여전히 너무 두껍다. 이것은 벽을 오르는 도마뱀의 힘이 필요하기 때문에 양자 회절 실험에서 격자의 적용을 제한시킨다. 분자들은 벽에 부착된 도마뱀 발가락처럼 격자 막대를 끌어당긴다. 그러나 그들이 표면에 부착되면, 더 이상을 실험을 진행할 수 없게 된다. 이런 문제를 해결하는 방법은 재료 두께를 감소하고 이런 마스크의 인력 상호작용을 한계 이하로 하고 기계적으로 안정적인 구조를 유지하는 것이다. “이것은 물질파 광학을 위한 가장 얇은 회절 마스크이다. 그리고 그들은 매우 잘 작동한다”고 이 연구를 이끌었던 Christian Brand가 말했다. “백만 분의 일 밀리미터의 격자 두께를 가진다면, 마스크와 분자 간의 상호작용은 1초보다 약 1조배 더 짧은 순간에 일어난다”고 Christian Brand가 덧붙였다. 

    나노격자 막대들은 소형 하프의 현과 유사하다. 따라서 양자 회절 동안에 분자들이 왼쪽 또는 오른쪽으로 편향될 때 이런 현 속의 진동들을 어떻게 유도하는지를 궁금해 할 수 있다. 이런 경우에, 격자 막대는 격자와 양자 간섭을 통한 분자 경로를 파괴할 수 있다. 따라서 이 실험은 수십 년 전에 닐스 보어와 아인슈타인에 의해서 논의된 이론들을 실현시켜 주고 있다. 닐스 보어와 아인슈타인은 양자들이 이중 슬릿을 통과하고 이것을 실제로 관찰할 수 있는지를 알고 싶었다. 이런 수수께끼에 대한 해법은 하이젠베르크의 불확실성 원리에 의해서 다시 제시되었다.: 분자들이 회절 프로세스 속에서 작은 킥(kick)을 격자에 준다면, 이런 되튐(recoil)은 격자의 양자 역학적 운동량 불확실성보다 항상 더 작아진다. 따라서 이것은 검출할 수 없다. 이번 연구진은 단지 원자 한 개 두께를 가진 멤브레인의 경우에도 이것이 적용된다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “An atomically thin matter-wave beamsplitter” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2015.179).

    그림. 분자 양자 광학을 이용한 실험을 위해서 이런 제조 방법이 원자적으로 매우 얇은 나노마스크를 만들 수 있다는 것을 보여주는 이미지.
  • 키워드 : 단일층, 그래핀, 회절 구조
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑