빛 자유 전자 상호 작용의 양자적 특성 입증

빛의 파동과 입자 ‘이중성’은 전자기장이 생성되는 과정인 전자기 여기(electromagnetic excitations)의 고전적 및 양자적 특성 때문으로 알려졌다.

이스라엘 Technion-Israel Institute of Technology 연구원들은 최근 광자와 자유 전자 사이의 상호 작용의 양자 특성을 나타내는 최초의 실험적 증거를 수집했다. 지금까지 빛이 자유전자와 상호작용하는 모든 실험에서는 빛을 파동으로 설명해왔다.

최근 Science에 발표된 Raphael Dahan, Alexey Gorlach, Ido Kaminer의 발견은 광자와 자유 전자와의 상호 작용을 조사하는 미래 연구에 중요한 의미를 가질 수 있다.

독일 괴팅겐 대학 Ofer Kfir와 스페인 ICFO(Institut de Ciències Fotòniques)의 Javier García de Abajo와 동료들의 이전 이론 연구는 빛과 자유 전자 사이에서 발생하는 새로운 유형의 근본적인 상호 작용을 예측하여 빛의 양자적 특성을 밝혀냈다. 이러한 예측에서 영감을 얻은 Kaminer, Dahan, Gorlach와 동료들은 이 상호작용을 실험적으로 조사할 수 있는 시스템을 찾기 시작했다. 연구원들은 빛의 양자 통계가 전자-빛 상호 작용을 변경할 수 있음을 입증하기를 원했다.

더 큰 결합 효율을 달성하기 위해 연구원들은 레이저를 사용하여 소형 전자 가속을 달성하고 이를 온-칩으로 통합하는 것을 목표로 하는 가속기 온칩(ACHIP) 연구 커뮤니티와 논의했다. 일련의 계산 후에 팀은 이전의 모든 실험에서 제안한 것보다 결합 효율이 백 배 향상될 수 있음을 발견했다.

Kaminer, Dahan 및 Gorlach는 미국 Stanford 및 독일 Erlangen의 Peter Hommelhoff가 이끄는 팀과도 협력했다. 독일 연구 그룹은 Kaminer가 이 복잡한 실험을 수행하는 데 필요한 세계 최고의 ACHIP 구조를 제공했다.

강렬한 양자 광을 생성하기 위해 연구원들은 Technion의 Eisenstein 그룹과 긴밀히 협력했다. 이 그룹은 특별한 종류의 광 증폭기를 사용할 수 있도록 했다. 빛의 양자 광자 통계를 포아송 분포(고전적인 간섭광에서와 같이)에서 슈퍼 포아송 분포로 변경할 수 있는 도구다.

Dahan은 “우리 연구는 꽤 긴 여정이었다. 이러한 모든 다른 요소를 결합하고 초고속 투과 전자 현미경을 사용한 매우 어려운 실험을 통해 우리는 자유 전자와 다른 양자 특성을 가진 빛 사이의 첫 번째 상호 작용을 입증하는 주요 목표를 달성했다”고 말했다.

Kaminer와 그의 동료들은 실험 전반에 걸쳐 광자 통계를 지속적으로 변경하고 이에 따라 전자 에너지 스펙트럼이 어떻게 변화하는지 보여줌으로써 궁극적으로 광자와 자유 전자 사이의 상호 작용의 양자 특성을 밝힐 수 있었다. 그들이 관찰한 광자 통계의 변화는 광 증폭기의 펌프 및 레이저 시드의 강도에 따라 다양했다.

연구원들이 탐구한 주요 상호 작용은 빛과 자유 전자를 포함하는 상호 작용이다. 그들의 실험에서 전자는 빛의 상태를 감지하는 역할을 한다. 따라서 연구진은 에너지를 측정하여 빛에 대한 양자 정보를 추출할 수 있었다.

전자 측정은 전자와 빛을 양자화함으로써만 설명할 수 있으며, 이는 그들이 영감을 얻은 이론 논문에서 예측한 바와 같다. Kaminer는 “이 새로운 이론을 사용했을 때 측정값과의 일치도가 매우 높아졌다. 근본적인 관점에서 우리 연구의 주요 발견은 양자 광과 자유 전자 사이의 상호 작용, 상호 작용에서 얽힘 출현 및 양자-고전적 대응 원리”라고 말했다.

잠재적으로 새로운 빛 관련 물리학 연구를 위한 길을 닦는 것 외에도 고해상도 이미지를 수집할 수 있는 비파괴 및 비침습적 이미징 도구에 활용할 수 있다.

Kaminer와 그의 팀의 최근 연구는 연속파(CW) 빛을 사용하여 일시적으로 전자를 형성하는 것이 가능함을 증명한다. 이 결과는 공간 분해능을 손상시키지 않으면서 최첨단 현미경에 아토초 시간 분해능을 도입하기 위해 실리콘 광자 칩을 전자 현미경에 통합하는 것을 가능하게 할 수 있다.