전자 양자 상태에 대한 새로운 해석

일본 연구진은 고체 속의 자유 전자의 특성을 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

고체 속의 전자 상태는 색상과 전기 전도성과 같은 많은 재료 특성에 큰 영향을 끼친다. 그러나 전자들은 결정 속에 구속되어 있기 때문에, 전자의 양자 물리적 특성들을 조사하는 것은 매우 어렵다. 일본 리켄 신생물질 과학센터(RIKEN Center for Emergent Matter Science)의 Konstantin Bliokh와 Franco Nori는 투과 전자 현미경에서 형성된 소용돌이 전자빔을 사용함으로써 고체 속의 자유 전자 특성들을 측정하는데 최초로 성공했다.

자기장 속의 양자 전자 상태는 란다우 상태(Landau state)로 잘 알려져 있다. 고체 속에 이런 상태가 존재하는지를 관찰하기 위해서는 전자 전도성 실험으로 확인할 수 있지만, 결정 내의 전자 운동의 특성과 회전 역학을 직접적으로 관찰하는 것은 불가능하다.

란다우 상태들은 응집-물질 시스템뿐만 아니라 균일한 자기장 속의 자유 전자에서도 나타날 수 있다. 최근에, 이번 연구진은 란다우 상태가 소위 전자 소용돌이 빔의 비-회절 부분에서도 나타날 수 있다는 것을 제안했다. 란다우 모드의 방사상 및 방위각(소용돌이) 양자수(quantum numbers)는 그들의 특성과 발생을 결정한다.

이번 연구진은 자유 공간 속에 란다우 상태의 전자를 만들어서 그들의 상세한 특성들을 더 쉽게 관찰할 수 있는 실험을 진행했다. 이번 연구진은 자유 전자의 나노미터 크기의 소용돌이 빔을 제조하는데 투과 전자 현미경을 사용했다. 반경과 같은 소용돌이 빔의 매개변수는 외부 자기장이 인가했을 때의 란다우 상태와 일치하도록 설정되었다.

자기장 속의 전자의 회전 특성을 조사하기 위해서, 이번 연구진은 날카로운 모서리를 가진 빔의 일부를 절단했고, 소용돌이로 그들의 모서리를 이동시켰다. 이것은 양자 궤적의 구조 등의 전자의 내부 회전 동역학을 관찰할 수 있게 했다. 이 연구결과는 양자 전자들이 란다우 상태의 소용돌이 양자수에 의해서 결정된 3개의 서로 다른 각속도를 가진 회전들이 존재한다는 것을 밝혀내었다. 이것은 자기장 속의 고전적인 균일한 전자 회전과는 매우 대조적이지만 최근의 이론적 예측과는 일치하는 결과이다.

“가장 흥미로운 측면은 우리가 고체 없이 이런 전자 란다우 상태를 관찰했다는 것이 아니라 자기장 속의 양자 전자의 내부 회전 동역학이 고전적인 시나리오와 매우 다르다는 사실이다”라고 Bliokh가 말했다.

소용돌이 전자빔 기술은 란다우 상태의 근본적인 특성들에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. “우리는 양자 전자의 특성들을 최초로 측정했다”고 Nori가 설명했다. “이런 특성들은 고체가 무질서, 결함, 계면, 표면을 가지고 있기 때문에 벌크 재료 속에서는 관찰되지 않는다. 이런 특성들은 양자 역학의 매우 근본적인 수준에서 나타나고 다른 시스템에서도 동일하게 나타날 수 있다”고 Nori는 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “Imaging the dynamics of free-electron Landau states”라는 제목으로 게재되었다(DOI: doi:10.1038/ncomms5586).

그림. 서로 다른 소용돌이 특성들(m)을 가진 전자 빔을 생성하는 투과 전자 현미경. 전자빔은 자기장(적색 화살표)에 의해서 관찰 면(흑색) 위에 초점을 맞추어진다. 평면(회색)은 서로 다른 각속도(ω)로 전자 궤적을 분석하기 위해서 전자빔의 일부를 절단하는데 사용된다.

 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 전자 양자 상태에 대한 새로운 해석