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울산과기원 '나노 구조에 영향 미치는 힘' 측정 기틀 마련

'물질파 반사 메커니즘' 검증…전자제품 제조 분야 적용 기대
주기성 반평면 집합체에서 물질파의 회절 현상을 측정한 연구진. 왼쪽부터 조범석 UNIST 교수, 독일 프리츠 하버 연구소의 빌란트 쉘코프(Wieland Schollkopf) 박사, 김이영 연구원, 이주현 연구원. [울산과학기술원 제공]
주기성 반평면 집합체에서 물질파의 회절 현상을 측정한 연구진. 왼쪽부터 조범석 UNIST 교수, 독일 프리츠 하버 연구소의 빌란트 쉘코프(Wieland Schollkopf) 박사, 김이영 연구원, 이주현 연구원. [울산과학기술원 제공]

(울산=연합뉴스) 허광무 기자 = 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 나노 구조에서 작용하는 미세한 힘을 측정할 수 있는 연구 가능성을 열었다.

조범석 자연과학부 화학과 교수팀은 물질파(matter-wave)의 새로운 반사(회절) 메커니즘 검증을 통해 나노 세계에서 두드러지는 '분산 상호작용'을 연구할 토대를 마련했다고 11일 밝혔다.

분산 상호작용은 물질 속 전자들의 영향으로 나타나는 아주 미미한 힘으로, ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 크기 물질에 큰 영향을 줄 수 있다. 워낙 미세한 힘이어서 측정이 매우 힘든데, 이번 연구로 물질파를 이용해 측정할 가능성이 열린 것이다.

물질파는 물질이 입자가 아닌 파동의 성질을 보이는 경우를 말하는데, 물질 질량이나 속도가 작을 때 두드러지게 나타난다. 주로 물질을 이루는 원자나 전자에서 볼 수 있으며, 물질파를 이용하면 나노 세계의 새로운 물리현상을 밝혀낼 수 있다.

조 교수팀은 선폭이 아주 좁은 '사각파형 회절판'(square-wave grating)에서 일어나는 물질파의 새로운 회절 현상을 검증해 분산 상호작용을 측정에 다가갔다.

사각파형 회절판은 일정한 주기로 사각형 물체가 판 위에 올려져 있는 형태인데, 여기에 빛이나 물질파를 쏘면 장애물인 사각형을 돌아서 나아가는 회절 현상이 나타난다. 연구진은 나노 구조 표면이 울퉁불퉁한 경우를 측정하고자 이런 판 형태를 제작했다.

연구진은 400㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m) 간격을 두고 사각형을 세운 회절판에 헬륨(He)이나 중수소(D₂)로 이뤄진 물질파를 쏘았다.

이어 사각형 선폭을 200㎛부터 10㎛까지 줄여 실험을 진행했는데, 선폭이 감소함에 따라 물질파 반사 결과는 '주기성 반평면 집합체' 이론값에 가까워졌다.

반평면은 무한대로 펼쳐진 평면을 한 직선으로 잘라 둘로 나눈 한쪽을 일컫는 말인데, 이런 반평면이 주기적으로 나타나면 주기성 반평면 집합체가 된다.

이번 연구는 주기성 반평면 집합체에서 일어나는 회절에 관한 이론을 물질파 광학에서 처음 증명한 것으로, 물질파 회절로 분산 상호작용을 측정할 토대를 마련했다는 평가를 받고 있다.

조 교수는 "다양한 나노 구조의 분산 상호작용을 측정해 ㎚ 크기의 전자제품과 부품 제조 때 문제가 되는 영향력들을 예측할 수 있을 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 물리학 분야 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스'(Physical Review Letters)에서 편집자 추천 논문으로 최근 발표됐다.

hkm@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2019/02/11 12:00 송고

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