스웨덴 연구팀, 전자 양자 상태 측정 성공

스웨덴 룬드 대학교(Lund University) 연구팀이 처음으로 고에너지 광펄스를 흡수한 원자에서 방출된 전자의 양자 상태를 측정하는 데 성공했다. 이 새로운 측정 기술은 빛과 물질 간 상호작용에 대한 더 깊은 이해를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

고에너지 광, 특히 극자외선(extreme ultraviolet) 또는 X선 범위의 짧은 주파수의 빛이 원자나 분자와 상호작용할 때, 원자에서 전자가 ‘분리’되어 방출되는 현상을 광전 효과(photoelectric effect)라고 한다. 방출된 전자와 그 운동 에너지를 측정함으로써 원자에 대한 많은 정보를 얻을 수 있으며, 이는 광전자 분광법(photoelectron spectroscopy)의 기본 원리이다.

하지만 방출된 전자인 광전자는 종종 고전적인 입자로 간주된다. 그러나 실상 광전자는 양자 객체로, 매우 작아 양자 역학적 규칙에 따라 설명되어야 한다. 이는 광전자가 단순한 작은 입자가 아니라 파동처럼 행동하기 때문이다.

연구팀은 “광전자의 양자 상태를 측정함으로써, 우리는 ‘전자란 얼마나 양자적일까’라는 질문에 정밀하게 답할 수 있다”고 설명했다. 이는 의료에서 뇌를 촬영하는 데 사용되는 CT 스캔의 원리와 비슷하다. 연구팀은 원자에 초단파 고에너지 광펄스를 사용하여 광전자 양자 상태를 생성하고, 이후 두 개의 다른 색을 가진 레이저 펄스를 이용해 2D 이미지를 찍고 이를 조합해 양자 상태를 복원하는 방식으로 실험을 진행했다.

이번 기술을 통해 연구팀은 헬륨(helium)과 아르곤(argon) 원자에서 방출된 전자의 양자 상태를 처음으로 측정할 수 있었다. 또한 방출된 광전자의 양자 상태가 어떤 물질에서 방출되었는지에 따라 달라진다는 사실도 확인했다.

“양자적 특성을 완전히 측정할 수 있는 새로운 방법”

데이비드 부스토(David Busto) 룬드 대학교 원자 물리학 부교수는 “이번 연구는 40년 이상의 시간이 흐른 후, 방출된 광전자의 양자 특성을 완전하게 측정할 수 있는 방법을 제시한 것”이라고 말했다. 이 연구는 1981년 카이 지그반(Kai Siegbahn)이 광전자 분광법으로 노벨상을 수상한 이래, 양자 특성을 완전하게 측정할 수 있는 획기적인 방법을 제시했다.

이 기술은 단순한 원자뿐만 아니라, 앞으로는 분자, 액체, 고체 등의 물질에서 광전자의 양자 특성을 연구하는 데에도 사용될 수 있다. 이러한 연구는 물질이 전자를 급격히 잃은 후 어떻게 반응하는지에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있으며, 대기 화학이나 태양광 전지 및 식물의 광합성처럼 빛을 이용하는 시스템에 대한 연구에도 큰 영향을 미칠 수 있다.

“양자 정보와 기술의 교차점”

이번 연구는 두 가지 주요 분야, 즉 아토초 과학(attosecond science)과 양자 정보 및 양자 기술을 잇는 중요한 연구로 평가된다. 아토초 과학은 매우 짧은 시간 척도에서 일어나는 현상을 연구하는 분야로, 앤 르위예(Anne L’Huillier) 노벨상 수상자가 이끌고 있는 연구 분야다. 양자 정보와 양자 기술 분야에서는 양자 상태를 이용한 다양한 응용이 탐구되고 있다.

“양자 컴퓨터와 관련된 미래의 가능성”

이 연구는 양자 혁명(Second Quantum Revolution)과 관련이 있다. 양자 혁명은 개별 양자 객체를 조작하여 다양한 응용에 맞는 양자 특성을 활용하는 것을 목표로 한다. 연구팀의 양자 상태 토모그래피(Quantum State Tomography) 기술은 직접적으로 양자 컴퓨터의 구축을 목표로 하지 않지만, 광전자의 양자 상태에 대한 지식을 제공함으로써 미래의 양자 기술 발전에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

“새로운 물질의 특성 연구에 기여”

광전자의 속도와 방출 방향을 측정함으로써, 우리는 물질의 구조에 대해 많은 정보를 얻을 수 있다. 새로운 물질을 연구할 때, 이 기술은 전통적인 광전자 분광법보다 더 많은 정보를 제공하며, 이는 물질이 전자를 방출한 후 발생하는 과정들을 풀어내는 데 중요한 역할을 할 수 있을 것이다.

이번 연구에서 가장 놀라운 점은 실험이 성공적으로 진행되었다는 것이다. 과거에도 양자 상태를 측정하려는 시도가 있었으나 매우 어려운 작업이었고, 실험이 안정적이기 위해서는 긴 시간 동안 매우 정밀한 조건이 필요했다. 그러나 이번 연구팀은 그 조건을 성공적으로 맞추며 중요한 진전을 이뤘다.

연구팀의 새로운 실험 기술은 KRAKEN(Quantum State Tomography)이라고 불리며, 이번 연구는 Nature Photonics에 발표되었다.