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수백 아토초의 높은 시간 분해능을 통해 전자의 이동과 전하 및 입자와의 상호 작용을 전례 없는 정밀도로 추적

전자 관측용 아토초 타이머
새로운 방법은 고체에서 자유 전자의 초고속 운동을 보여준다.

작고 매우 빠름:
물리학자들이 물질에서 전자의 초고속 이동을 보여주는 방법을 개발했다. 수백 아토초의 높은 시간 분해능을 통해 전자의 이동과 전하 및 입자와의 상호 작용을 전례 없는 정밀도로 추적할 수 있다. 이것은 기본 연구뿐 아니라 전자, 광전자 및 양자 기술의 실용적인 응용 프로그램에도 도움이 될 수 있다. 

▲ 물리학자들은 높은 시간 분해능을 가진 고체에서 전자의 움직임과 상호작용을 추적하는 방법을 개발했다. © Brad Baxley (parttowhole.com)

반도체, 금속 또는 이국적인 토폴로지 재료 여부: 재료의 특성은 전자의 거동에 결정적으로 의존한다. 그들의 이동성, 원자와의 상호 작용 및 외부 영향뿐만 아니라 에너지 상태는 물질이 갖는 전기 물리학적 특성과 물질의 용도에 영향을 미친다. 그러나 전자의 질량이 낮기 때문에 이러한 모든 과정은 상상할 수 없을 정도로 빠르게 진행된다. 이를 포착하려면 아토초 범위의 측정이 필요하다.

스핀 코스의 전자

Regensburg 대학의 Josef Freudenstein과 그의 동료들은 이제 처음으로 전자의 움직임을 추적하기에 충분한 시간적, 공간적 정밀도를 가진 측정 방법을 개발했다. 새로운 "아토세컨드 스톱워치"의 기초는 결정질 반도체 물질인 이셀렌화 텅스텐(WSe2)의 작은 소판으로, 근적외선과 테라헤르츠 범위의 두 가지 다른 유형의 전자기 복사에 노출된다.

첫 번째 빔 펄스는 재료의 전자를 들뜨게 하고 제자리에서 밀어내어 자유 전자와 양전하를 띤 공석을 생성한다. 다음 테라헤르츠 장은 처음에 전자를 한 방향으로 가속한다. 그런 다음 필드가 반전돼 전자가 반전되어 다시 정공과 충돌하게 된다. 전하의 이 "재결합"은 소위 고차 측파대 복사, 즉 특정 주파수의 복사를 방출한다.

여기, 테라헤르츠 펄스 및 복사 방출 사이의 시간을 측정함으로써 물리학자들은 그 동안 전자가 얼마나 멀리 이동했으며 어떤 상호 작용을 시작했는지 이해할 수 있다.

300 아토초의 시간 분해능

실험에서 물리학자들은 이 방법을 사용해 최대 300 아토초의 정확도로 전자의 거동을 측정할 수 있었다. 이 시간적 분해능은 전자의 역학에서 가장 작은 변화를 연구하기에 충분하다. 측정 데이터는 상호 작용이 발생했는지 뿐만 아니라 어떻게 발생했는지 보여준다. "빛의 진동이 얼마나 짧고 시간 분해능이 100배 더 높은지를 감안할 때 그러한 정밀 측정이 가능하다는 것은 매우 예상치 못한 일이다"고 수석 저자인 Regensburg 대학의 Rupert Huber가 말했다.

이 방법은 또한 재료가 단 하나의 분자층으로 얇아지거나 가속 테라헤르츠 필드가 증가할 때 전자 거동이 어떻게 변하는지 보여준다. 첫 번째 경우에는 전하 캐리어 사이의 인력이 몇 배 이상 증가하고 두 번째 경우에는 전자가 충돌 과정을 더 빨리 완료한다. 많은 전자가 동시에 움직이기 시작할 때도 마찬가지다. 그런 다음 그들은 서로를 보호하고 전하 캐리어는 약한 인력만 본다.

전자 및 양자 기술의 중요성

물리학자들에 따르면 새로운 아토초 타이머는 반도체 및 기타 기술적으로 중요한 재료의 중요한 프로세스에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다. 이것은 차례로 전자, 광전자 및 양자 기술의 재료 개발 및 실제 응용 프로그램에도 도움이 될 수 있다. "고체에 대한 아토초 스톱워치는 진정한 게임 체인저가 될 수 있으며 맞춤형 특성을 가진 새로운 양자 물질을 개발할 수 있게 해준다"고 Huber는 말했다.

이 방법은 기초 연구에도 도움이 된다. "아토초 시간 규모에서 상호 작용 효과는 고전 물리학의 법칙을 사용해 설명할 수 없다. 이는 순전히 양자 역학적 성질에 가깝다"고 공동 저자인 Mackillo Kira가 설명햇다. 미시간 대학교. "따라서 전자의 움직임에 영향을 미치는 시간 영역을 직접 추적하는 것은 최첨단 다물체 양자 이론을 테스트하는 데 매우 유용하다.“
(Nature, 2022, doi: 10.1038/s41586-022-05190- 2)
출처: Nature, University of Regensburg, University of Michigan

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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