금속 안에서 전자들의 움직임 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-19

독일과 오스트리아 연구진은 공동으로 전류를 구성하는 개개 전자들의 흐름을 관측할 수 있게 하였다. 이들의 연구 결과 금속에서 전자들의 움직임은 자유 공간에서 탄환 운동과 비슷하다는 것이 발견되었다. 이들의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다. 전류를 측정하는 것은 쉬운 일이다. 그러나 이런 전류를 구성하는 개개의 전자들을 관측하는 것은 극도로 어려운 일이다. 전자들은 초당 수백만 미터의 속도로 금속을 통하여 빠르게 움직인다. 그리고 전자가 통과하는 이웃하는 두 원자들 사이의 거리는 매우 짧다. 이것은 금속 안에서 움직이는 전자들을 관측하기 위해서는 미세한 시간 간격을 분해해야 한다는 것을 의미한다. 알버트 아인슈타인은 1905년에 이미 광전류 효과에 대해서 설명하였다. 이 효과는 빛이 에너지를 전자에 전달하여 전자가 금속으로부터 방출되게 하는 것이다. 이것은 너무 빨리 발생하기 때문에 오랫동안 이런 과정의 시간 과정을 연구하는 것은 불가능하다고 생각되었다. 그러나 최근 아토초 물리학은 급속히 발전되어 이런 과정의 시간 분해 분석이 가능하게 되었다. 아토초는 10^(-18) 초이다. 이 시간은 대략 빛이 하나의 원자에서 다른 원자 거리를 진행하는 데 걸리는 시간이다. 극도로 짧은 레이저 펄스를 이용하여 시간은 이제 아토초 범위 내의 정밀도로 측정될 수 있다. 이들의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었으며 막스 플랑크 양자 광학 연구소에서 측정되었다. 그리고 오스트리아 비엔나 기술 대학의 연구진은 이론적 모델과 거대 스케일 컴퓨터 시뮬레이션을 개발하였다. 이를 이용하여 이들 연구진은 그들의 실험 결과를 분석하고 해석하였다. 이 실험은 전자들의 흐름을 관측할 수 있게 해준다고 연구진은 말하였다. 두 개의 다른 금속인 텅스텐과 마그네슘은 적층되었으며 레이저 펄스로 충돌되었다. 마그네슘 또는 텅스텐 층에서, 빛은 전자들을 제거할 수 있으며 이렇게 제거된 전자들은 표면으로 이동한다. 전자들이 움직인 거리는 나노미터보다 더 작다. 이렇게 전자들이 움직인 거리는 조율될 수 있다. 즉, 텅스텐 상에 증착된 마그네슘의 층을 한 개의 원자 층에서 다섯 개의 원자층으로 조절함으로써 가능한 것이다. 층 두께와 도착 시간 사이의 간단한 관계는 금속을 통하여 전자들이 탄환처럼 움직인다는 것을 보여주었다. 복잡한 산란 프로세스는 이런 시간과 길이 스케일에서 중요한 역할을 하지 않았다. 정확한 시간 측정을 위해서, 잘 정의된 최종선을 갖는 것은 매우 중요하다. 이를 위해서 두 번째 레이저가 사용되었다. 그것은 전자가 금속을 떠나는 순간에 영향을 주었다. 레이저 빔은 금속을 투과해서는 안된다. 금속 원자들 사이의 간격보다 더 짧은 거리 안에서, 레이저 필드의 세기는 급격하게 변한다고 연구진은 말하였다. 레이저 빔의 필드는 바깥층에서 거의 0으로 줄어든다. 반면에 금속의 밖에서 전자들은 강한 레이저 필드 안으로 들어간다. 이런 급격한 대비로 이런 정확한 시간 측정이 가능한 것이다. 이 새로운 발견은 전자 부품 및 광학 부품의 소형화로 가능해졌다. 이런 새로운 연구는 양자 기술 개발을 위한 새로운 방법을 제공하여 주며 재료 과학 및 전자기술의 기본적인 질문에 대한 연구를 가능하게 해준다고 연구진은 말하였다. 이들의 연구 결과는 “Direct observation of electron propagation and dielectric screening on the atomic length scale”이라는 제목으로 Nature 저널에 발표되었다. 첨부그림 1: 레이저 빔은 층으로 된 금속 구조에서 전자들을 제거한다. 아토초 기술은 과학자들이 다른 금속 층으로부터 전자들 사이의 시간 지연을 측정할 수 있게 해준다. 첨부그림 2: 레이저 펄스(적색)와 극도로 짧은 파장의 자외선 아토초 펄스는 진한 청색의 마그네슘 원자들의 몇 개 층으로 이루어진 표면에 입사하였다. 이런 층은 녹색으로 표시된 텅스텐 결정 격자 상단에 놓여졌다. 이런 펄스가 전자를 텅스텐 원자들의 내부 코어로부터 방출시키면, 물리학자들은 NIR 레이저 펄스를 인가함으로써 전자가 마그네슘 층을 투과하는데 필요한 시간을 결정할 수 있었다. raceoftheele.jpg rapidjourney.jpg http://phys.org/print340454290.html