Science
궤도 각 운동량을 운반하는 전자빔
장종엽엔에스
2015. 1. 29. 09:00
| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-29 |
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 빛이 일련의 보통 평면파 대신에 나선형 모양의 파면을 가지면, 그것은 궤도 각운동량을 운반한다. 지난 수 년 동안, 실험 물리학자들은 파동과 같은 전자 특성 덕분에 전자 빔에서 비슷한 효과를 보여주었다. 이제 이탈리아, 캐나다, 미국의 연구진은 전자 스핀 보다 수백 배 더 큰 각 운동량을 가진 강력한 전자빔을 시연하였다. 이 연구는 자성 물질의 기본 특성을 연구하거나 조사하는데 사용될 수 있을 것이다. 전형적인 빛 파동은 위 아래로 진동하는 전기장을 가지고 있다. 가장 간단한 파동형태에서, 파면은 평면에 평행하다. 만약에 파동을 시간에 대해서 고정하고 진행하는 방향에 수직으로 잘린 면을 바라보면, 그 면 안에 위치한 모든 점에서 필드는 동일한 세기와 방향을 가지게 될 것이다. 그러나, 이른바 와동빔에서, 파면은 나선형 형태의 표면을 형성하고 빔은 궤도 각 운동량을 전달한다. 이것은 나선형 축 주위의 회전 운동량이다. 나선형이 더 좁을수록 더 많은 궤도 각 운동량이 발생한다. 오랫동안, 연구자들은 궤도 각 운동량을 가진 빛을 사용하여 나노입자에 회전력을 가하기 위해서 움직임을 발생시켰다. 전자들은 빛과 비슷한 특성을 가지고 있으며, 5년 전에 몇 개의 그룹이 궤도 각운동량을 가진 전자빔을 만들었다. 전자빔은 전하를 가지고 있기 때문에, 궤도 각운동량은 회전하는 전류를 발생시키며, 이것은 진행 방향에 평행한 자기장을 발생시킨다. 연구자들은 그와 같은 빔을 이용하여 컴퓨터의 하드디스크와 같은 물질 안에서 원자 스케일의 자성을 연구하고 있다. 그러나 거대 궤도 각운동량을 가진 강력한 빔을 생성하는 것은 어려운 문제이다. 이제 캐나다 오타와 대학, 이탈리아 국립 연구 협회 그리고 다른 여러 연구자들이 공동으로 높은 궤도 각운동량을 가진 강력한 전자빔을 제작하기 위해 연구를 시작하였다. 와동 전자빔을 발생하기 위한 표준 기술은 광학 회절 격자와 밀접하게 연관되어 있다. 이것은 일련의 밀집된 슬릿의 장벽을 가진다. 회절 격자를 통해 보내진 빛은 특정한 방향으로만 출력빔을 발생시킨다. 일반적인 격자는 평면 파면을 가진 빔을 발생시킨다. 나선형 파면을 만들기 위해서, 연구자들은 더 복잡한 격자를 사용하였다. 그런 격자에서 일부 영역의 슬릿들은 다른 영역에 대해서 약간 변이되었다. 이런 작은 변이는 각 영역에서 나오는 빛의 상대적인 동기화에 영향을 미친다. 독립적으로, 각 영역은 평면 파면을 가진 점들을 발생시키지만, 결합은 궤도 각운동량을 가진 빔을 발생시킨다. 전자로 이런 기술의 첫 시연은 슬릿 사이의 입자를 차단하는 선을 사용하여 빔의 세기를 줄인다. 그러나 약 1년 전에, 이들 연구진은 공동 연구를 통해서 투명 위상 격자를 사용하는 새로운 기술을 시연하였다. 이 시연에서 훨씬 더 많은 전자들이 통과할 수 있었다. 이런 종류의 격자는 효과적인 슬릿을 얻기 위해서 두께의 변이를 사용한다. 이전의 연구에서, 이들 연구진은 각 슬릿에서 격자 부분을 위해서 톱날 프로파일을 이용하였다. 이런 모양은 전자들이 특별한 회절점의 방향으로 향하게 만든다. 그들의 최신 연구에서, 이들 연구진은 더 간단한 사인파 프로파일을 이용하였다. 이 프로파일은 높은 궤도 각운동량을 위해 필요한 더 정밀한 패터닝을 가능하게 해준다. 회절빔의 측정은 전자들이 거의 200 단위의 각 운동량을 가지고 있다는 것을 확인하였다. 이것은 나선형 파면이 하나의 파장 거리에서 200개의 회전을 한다는 것을 의미한다. 이것은 이전에 얻어진 가장 높은 값보다 2배나 더 큰다. 그리고 새로운 빔은 이전의 기록인 궤도 각운동량의 세기보다 30배나 더 크다. 그와 같은 빔을 사용하는 전자 현미경은 물질 안에서 나노스케일로 자화를 측정할 수 있다고 연구진은 말하였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 첨부그림: 정확하게 주름진 멤브레인을 통하여 지나가는 전자들은 매우 높은 시계 방향과 반시계 방향 각운동량을 가진 빔으로 회절된다. | |
