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- 희귀한 녹색 다이아몬드는 결정 격자의 작은 결함과 불규칙성에 의해 생성된다.
- 블루 다이아몬드는 결정 격자에 흩어져 있는 붕소 원자, 질소 함량 높으면 노란색
- 초방사; 마이크로파 조사하면 3백 나노초 후에 섬광 관찰돼
- 이 현상 응용해 초박형 빔 두께를 가진 새로운 레이저의 개발 가능

색놀이와 빛의 섬광
다이아몬드의 독특한 광학적 특성

대부분의 다이아몬드는 결정 격자가 가시광선의 거의 모든 부분을 반사하기 때문에 투명하다. 따라서 절단 후에는 희끄무레한 무색으로 반짝인다. 그러나 탐나는 보석의 유색 변형도 있다. 유명한 호프 다이아몬드는 파란색으로 반짝이며 드레스덴 그린 다이아몬드는 밝은 사과 녹색으로, 2017년 레소토(Lesotho)에서만 발견된 700캐럿 피스 다이아몬드는 노란색으로 빛난다. 

▲ 세팅이 없는 유명한 블루 호프 다이아몬드. © 350z33 / CC-by-sa 3.0

외부 원자 및 결함을 통한 색상 재생

이러한 색상은 다이아몬드의 탄소 격자에 보석의 광학적 특성을 변화시키는 결함이나 이물질이 있기 때문에 생성된다. 희귀한 녹색 다이아몬드는 결정 격자의 작은 결함과 불규칙성에 의해 만들어진다. 입사광의 비 녹색 성분을 주로 흡수하기 때문에 다이아몬드에 의해 반사된 빛은 녹색으로 보인다.

반면에 유명한 블루 다이아몬드는 결정 격자에 흩어져 있는 붕소 원자로 인해 색상이 정해진다. 이들은 빛의 황색, 적색, 녹색 성분을 흡수해 빛의 청색파 성분이 더 강하게 반사된다. 옐로우 다이아몬드의 경우 외부 질소 원자가 녹색, 청색, 보라색의 빛 성분을 삼켜 황색을 띠게 된다. 질소 함량이 높을수록 이 다이아몬드는 더 강렬하게 노란색으로 빛난다.

유용한 형광

일부 다이아몬드는 형광성을 보이기도 한다.
UV 광선을 조사하면 결정 격자의 전자가 들떠서 기본 상태로 돌아갈 때 푸른 빛을 방출한다. 일부 옐로우 다이아몬드는 인공조명에서는 노란색으로 빛나지만 햇빛에서는 녹색을 띌 수 있다.

보석 사업에서 이러한 형광 능력은 보석의 평가 절하로 이어질 수 있지만, 이로 인해 이 다이아몬드는 광학 또는 의료 기술과 같은 분야에서 특히 인기 있는 도우미가 된다. 예를 들어, 낯선 질소 원자를 가진 나노 다이아몬드는 영상화 과정에서 형광 마커로, 자기공명영상(MRT)에서 조영제로 적합할 수 있다.

생쥐에 대한 실험은 이미 화학적으로 불활성이고 독성이 없는 나노 다이아몬드가 생물학적으로 잘 견디고 MRI 이미지의 해상도와 품질을 크게 높일 수 있음을 보여주었다. 100만분의 1미터 미만의 다이아몬드 입자는 손상을 일으키지 않고 스스로 혈뇌장벽을 통과할 수 있기 때문에 예를 들어 활성 물질을 뇌종양으로 운반하거나 더 잘 보이도록 하는 데 사용할 수 있다. 마인츠에 있는 막스 플랑크 고분자 연구소의 야나 헤드리히(Jana Hedrich)와 함께 일하는 과학자들이 첫 번째 테스트를 수행하고 있다.

슈퍼 래디언스(초방사) 현상

2018년 과학자들이 발견한 바와 같이 다이아몬드는 광학적 측면에서 훨씬 더 많은 일을 할 수 있다. 실험을 위해 그들은 밀접하게 나란한 많은 수의 질소 공석이 결정 격자에 특별히 만들어졌을 때 다이아몬드가 어떻게 행동하는지 조사했다.

이러한 결함은 질소 원자로 구성되며 그 옆에 탄소 격자의 한 지점이 비어 있다.
이 결함이 있는 다이아몬드에 방사선에 의한 에너지가 공급되면 이 결함에서 전자가 들떠 더 높은 양자 상태로 만든다.

“원자가 낮은 에너지 상태로 돌아가면 에너지는 다시 광자의 형태로 방출된다. 이것은 일반적으로 완전히 예측할 수 없는 시점에서 순전히 우연히 발생한다”고 비엔나 공대(Vienna University of Technology)의 Johannes Majer는 설명했다.

그와 그의 팀이 테스트 다이아몬드에 마이크로파를 조사했을 때 처음에는 아무 일도 일어나지 않았다. 그러나 그 후 놀라운 일이 발생했다. "마이크로파 여기를 끈 후 약 300나노초 후에 다이아몬드 중심에서 방출되는 광자의 섬광이 관찰되었다"고 물리학자들은 말했다.

▲ 다이아몬드 격자의 질소 결함은 유도 방출을 유발할 수 있다. © 비엔나 공과대학교 (TU Wien)

결정 격자의 유도 방출

무슨 일이 일어났지?
연구자들이 설명하듯이, 그 배후에는 이론적으로 오랫동안 예측되어온 초방사(superradiance, 超放射) 현상이 있다. 연쇄 반응은 원자에서 방출된 단일 광자가 근처에 있는 다른 모든 들뜬 원자도 광자를 방출하게 하는 결정 격자에서 발생한다. 짧고 강렬한 빛의 섬광이 몇 나노초 내에 생성된다. 원칙적으로 이 초방사는 레이저의 유도 방출과 유사한 방식으로 작동한다. 레이저를 사용하는 동안 광자는 영구적으로 재생되어야 하지만 초방사에서는 단일 광자가 빛의 섬광을 유발하기에 충분하다.

Majer와 그의 팀은 다이아몬드의 초방사를 관찰함으로써 이제 처음으로 고체에서 이러한 물리적 효과를 입증했다. 이것은 또한 미래에 매우 실용적인 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다. "초방사성은 광학 분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 초박형 빔 두께를 가진 새로운 레이저의 개발을 가능하게 한다"고 연구자들은 말한다. "우리의 연구는 이제 초방사 고체 레이저를 포함한 미래 양자 기술의 기초를 제공한다.” 

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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