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- 주사 터널링 현미경의 해상도와 초고속 레이저 펄스 결합, 원자 양자 현미경으로 가능
- 들뜬 전자가 펨토초의 분수 내에서 오비탈 사이를 전환하는 방법을 보여준다.
- 공간 분해능은 1nm(나노미터) 미만이었고 시간 분해능은 펨토초 미만

양자 도약에 대한 새로운 시각
양자 현미경은 높은 시간 및 공간 분해능으로 전자 운동을 보여준다.

초고속과 정밀 동시에 :
연구원들이 처음으로 시간과 공간 측면에서 분자 내(內) 전자의 움직임을 동시에 이미징하는 데 성공했다. 이전에는 둘 중 하나만 가능했다. 이미지는 들뜬 전자가 펨토초의 분수 내에서 오비탈 사이를 전환하는 방법을 보여준다. 이것은 주사 터널링 현미경의 해상도와 초고속 레이저 펄스를 결합한 원자 양자 현미경에 의해 가능했다. 

▲ 초단파 레이저 펄스(빨간색)와 주사 터널링 현미경을 결합해 연구원들은 양자 세계에서 프로세스를 "필름"으로 만든다. © Dr. Christian Hackenberger

원자와 분자에서 전자의 움직임은 우리를 둘러싼 모든 물질의 기초를 형성한다.
전자 거동은 화학 결합을 결정하고 물질의 특성에 영향을 미치며 모든 전자 응용 분야의 이면에 있기 때문이다.

지금까지는 정확하거나 빠름 둘 중 하나만 가능했다.

그러나 문제는 현재의 현미경 기술이 이러한 중요한 전자 역학을 시간이나 공간 측면에서 더 정확하게 좁힐 수 있을 뿐 둘 다에서는 좁힐 수 없다는 것이다. 원자력 및 주사 터널링 현미경은 원자와 분자의 선명한 이미지를 가능하게 하지만 빠른 전자 이동용으로는 너무 느리다. 반면에 초고속 레이저 펄스를 사용하는 광학 방법은 아토초 범위에서 이러한 움직임을 캡처할 수 있지만, 공간적으로 흐릿한 이미지만 제공한다.

새로운 양자 현미경이 도움이 될 수 있다.
Max Planck Institute for Solid State Research의 Manish Garg와 그의 팀이 개발한 이 장치는 주사 터널링 현미경과 초고속 레이저 펄스를 결합한다. 연구원들은 이러한 아토초 펄스를 원자 정밀도로 위치한 현미경 끝부분(tip)에 발사해 국소 들뜨기를 생성했다. 이로 인해 발생하는 전자의 움직임은 차례로 재료와 팁(tip)사이의 터널링 전류에서 감지 가능한 변화를 유발한다.

▲ 그림 1: 초고속 광자 유도 전자 터널링. a, 캐리어 주파수(<1 kHz)에서 매우 작은 오프셋을 갖는 레이저 펄스는 음향 광학 주파수 변환기를 통과하는 레이저 펄스의 0차(E1) 및 1차(E2) 회절 빔을 선택해 생성된다. b, 실험 설정의 개략도. 삽입된 상단은 PTCDA 분자의 분자 구조를 나타내고 하단은 나노팁(nanotip)의 축에 대한 두 초단파 펄스의 편광 축을 보여준다. c, STM 접합에서 직교 편광된 레이저 펄스(E1(f1) 및 E2(f1+f0))에 의해 깨끗한 Au(111) 표면에서 측정된 레이저 유도 터널링 전류의 비선형 교차 상관. 교차 상관 측정 중 터널 접촉(Δz, 주황색 곡선, 오른쪽 축)에서 z-피에조 위치의 변화 표시. 오차 막대는 5개의 연속 측정에서 평균값의 표준 편차. 교차 상관 추적의 포락선은 녹색 점선으로 표시. d, E1, E2 및 이들 사이의 호모다인 비트 신호에 대한 팁 축(0°, 검은색 점선)에 대한 레이저 펄스의 회전 편광의 함수로서 광자 유도 터널링 전류의 측정된 변화. e, 바이어스(ILaser-V 곡선)의 함수로 Au(111) 표면 위의 PTCDA 분자에서 측정된 레이저 유도 터널링 전류의 변화. f, 레이저 유도 터널링 전류와 d.c.의 변화 비교. (증가하는) 터널 갭 폭의 함수로서의 터널링 전류(I-Δz 곡선). I-Δz 곡선은 d.c.로 Au(111) 표면에서 측정. 1 V의 바이어스 및 200 pA의 설정값 전류. 빨간색 곡선의 점선 부분은 노이즈 플로어를 나타냄. (출처: 관련논문 Real-space subfemtosecond imaging of quantum electronic coherences in molecules)

궤도 변화 "촬영“

이 양자 현미경으로 Garg와 그의 팀은 이제 높은 시간 및 공간 분해능으로 분자에서 여기( 勵起: 물리 양자론에서, 원자나 분자에 있는 전자가 바닥상태에 있다가 외부의 자극에 의하여 일정한 에너지를 흡수해 보다 높은 에너지로 이동한 상태)된 전자의 움직임을 포착하는 데 성공했다. 그들은 금 표면에 증착된 유기 반도체 염료 PTCDA 층을 테스트 재료로 사용했다. 평평한 탄화수소 고리로 구성된 이러한 분자에서 전자 궤도는 여러 탄소 원자에 걸쳐 있다.

▲ 그림 4: 레이저 유도 분자 궤도 영상의 옹스트롬 스케일 분해능. 분자에서 양자 전자 일관성의 실제 공간 서브펨토초 이미징(출처:관련논문)

연구자들은 초단파 레이저 펄스를 사용하여 전자를 들뜨게 한 다음 전자가 더 높은 에너지 상태의 궤도로 이동할 때 터널링 전류의 변화를 관찰했다. "이것은 우리가 처음으로 분자에서 직접 전자의 역학을 매핑할 수 있게 해주었다"고 Garg는 말했다.

레이저 펄스 사이의 시간 간격을 변경함으로써 물리학자들은 분자 내 전자의 움직임을 원자 정밀도로 재현하는 일련의 이미지를 얻었다. 공간 분해능은 1nm(나노미터) 미만이었고 시간 분해능은 펨토초 미만이었다.

▲ (애니메이션을 보려면 클릭) 유기 염료 PTCDA에서 전자의 움직임. 전자는 분자의 중심과 가장자리 사이를 앞뒤로 움직인다. 어두운 색은 낮은 전자 밀도를 나타내고 밝은 색은 높은 전자 밀도를 나타낸다. © Manish Garg / 솔리드 스테이트 연구를 위한 MP

분자 과정에 대한 새로운 통찰력

연구팀에 따르면 원자 양자 현미경은 분자 내 전자의 거동을 관찰하고 연구하는 완전히 새로운 가능성을 열어주었다. 이러한 방식으로 초전도체 또는 생화학 분자에서 전자의 움직임과 화학 반응에서 전하 이동을 추적할 수 있다. 이 기술은 예를 들어 태양 전지 또는 트랜지스터와 같은 전자 제품에 대한 새로운 혜안을 제공할 수 있다.
Garg와 그의 동료들은 "우리의 접근 방식은 복잡한 분자 시스템에서 전자 역학을 명확하게 관찰하고 조작할 수 있는 길을 열어준다”고 말했다.
(Nature Photonics, 2021; doi: 10.1038/s41566-021-00929-1)
출처: Max-Planck-Gesellschaft

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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