뉴스 | [김동언 교수] 전자 터널링 양자 현상의 베일을 벗기다.

전자 터널링 양자 현상의 베일을 벗기다

  carrier-envelop 위상이 안정환된 수주기 근적외선 레이자 펄스의 극한 기술을 이용하여 원자내 쿨롱 벽을 통과하는 전자의 운동 에너지를 시공간의 함수로 측정함. 강한 레이저 전기장에 의해서 왜곡된 쿨롱 벽을 통과하는 전자파 뭉치(wave-packet)의 경로를 보여주고 있다. 배경은 그런 전자의 운동 에너지 분포를 보여준다.

원자내 전자 터널링 양자 현상은 우리의 일상에서는 볼 수 없는 양자 세계만의 독특하고 매혹적인 현상이다 터널링 과정 중 터널링 장벽 내에서 동역학 현상을 규명하여 대표적인 양자 현상 이해의 새로운 이정표를 세웠다.

포항공대, 한국 막스 플랑크 한국 포스텍 연구소 김동언 교수와 독일 핵물리 막스 플랑크 연구소 C. H. Keitel 교수팀은 기존의 직접 다광자 이온화 현상을 넘어서 공명 증강 이온화 현상이 진행되는 과정에서 터널링 장벽 내 재충돌(Under the barrier recollision, UBR) 메커니즘 관련 이론을 개발하고, 예측된 고유한 특징들을 실험을 통해 명확하게 입증하였다. 이로써 터널링 동역학에 대해서 보다 직관적으로 이해하게 되어, 레이저 분광학 및 아토초 과학 분야 등에서 터널링 동역학을 보다 제대로 조작할 수 있는 지평을 연 셈이다.

강한 레이저 장 하의 원자내 전자의 동역학 현상들, 예를 들면 터널링한 전자의 운동으로 인한 고차 고조파 생성, 비-순차적 이중 이온화, 전자 홀로그램과 같은 현상들의 해석에 있어서 핵심적인 역할을 한다. 터널링 후 전자 동역학은 널리 연구되어 왔지만, 그 만큼이나 중요한 터널링 장벽내 전자의 거동은 여전히​​모호하게 남아있어왔다. 본 연구는 비-단열 터널링 영역에서 이론적 및 실험적 연구를 통하여 터널링 장벽내 전자 동역학을 이해하는 초석을 놓은 셈이다.

프리먼공명(Freeman Resonance)이라고 불리는 공명 증강 이온화 현상이 진행되는 과정에서 터널링 장벽 내 재충돌(Under the barrier recollision, UBR) 메커니즘을 밝혀냈다. 기존의 직접 다광자 이온화 현상을 넘어서 UBR 메커니즘 이론이 예측하는 고유한 특징들을 실험을 통해 명확하게 입증하였다.

본 연구 결과는 터널링 동역학에 대해서 보다 직관적으로 이해하게 되어, 레이저 분광학 및 아토초 과학 분야 등에서 터널링 동역학을 보다 제대로 조작할 수 있는 길을 연 셈입니다.

전자 터너링의 양자 현상의 베일을 벗기며,

김 동언 교수는 “ 최초로 전자가 원자 쿵롱벽을 통해 터널링 할 때, 쿨롱벽 내에서 어떠한 행동을 하는 지에 대한 힌트를 얻게 되었다” 고 설명한다. UBR은 현상론적으로 비슷하게 진행되는 강한 전기장 하의 분자, 고체 상태에서 터널링, 심지어 고에너지 터널링 양자 역학 분야 연구의 기존 해석을 새롭게 해야 하는 것을 제시하고 있다. 김 교수는 , " 20세기 양자 역학을 도래로 밝혀지기 시작한 터널링에 대해서 이제야 좀 더 깊이 알고, 조작할 수 있는 길이 열린 셈“ 이라고 밝혔다.

이 연구 결과는 국제 학술지 ‘ Physical Review Letters 최근 5월호에 게재되었으며 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다.