[표지로 읽는 과학] 자유롭게 장벽을 가로지르는 전자의 발견

2019.06.22 11:59
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네이처 제공

황금빛이 나는 둥그런 공이 미지의 세계로 가는 듯한 터널을 지나려고 하고 있다. 터널 건너편에는 다른 황금공들이 기다리고 있다. 황금공의 정체는 전자다. 

 

국제학술지 네이처는 20일 전자가 상대론적 양자역학계에서 장벽을 가로질러 이동하는 모습을 표지에 담았다. 상대론적 양자역학계란 고전적인 양자역학계과 달리 특수상대성 이론에 부합하는 미지의 세계다.  

 

이치로 다케우치 미국 메릴랜드대 물리학과 교수팀은 상대론적 양자역학계를 구현해 전자의 '클라인 터널링 현상'을 관측하는 데 성공했다는 연구 결과를 네이처 20일자에 발표했다. 클라인 터널링 현상은 서로 다른 두 물질 사이에 분명히 장벽이 존재하지만 입자가 장벽에 튕겨나가지 않고 오히려 장벽이 없는 것처럼 통과하는 현상이다. 1929년 스웨덴 물리학자 오스카 클라인은 상대론적 양자역학계에서 이 현상이 일어날 것이라고 예측했다.

 

연구팀은 붕소 화합물 계열의 위상절연체와 초전도체의 이중층 박막을 제작해 상대론적 양자역학계를 구현했다. 여기에 금속침을 댄 다음 전자를 흘려보내, 전자가 얼마나 통과하는지 측정했다. 

 

물리 법칙이 적용되는 세상에서는 전자가 장벽에 부딪혀 대부분 튕겨나간다. 양자역학계에서도 양자터널링 현상이 발생하면서 일부 전자는 통과하고 나머지는 튕겨나간다. 하지만 연구팀이 실험한 결과 상대론적 양자역학계에서는 모든 전자가 마치 그 자리에 장벽이 없는 것처럼 반대편으로 전달됐다. 

 

연구를 이끈 제1저자인 이승훈 메릴랜드대 재료공학과 박사후연구원은 "상대론적 양자역학계에서만 발생하는 특이 현상을 직접 관측했다"며 "이 연구 결과를 양자정보소자와 양자센서 등 양자컴퓨터 기술을 개발하는 데에도 활용할 수 있을 것"이라고 기대했다. 

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