양자 터널 안에서 일어난 충돌…전자의 숨겨진 움직임 첫 규명

전자가 레이저에 의해 원자 속 장벽을 통과하며 이동 경로와 에너지를 표현한 시공간 분포 그래픽. 포스텍 제공

국내 연구진이 영자 역학의 핵심인 ‘전자 터널링’ 과정의 수수께끼를 최초로 밝혀내고 실험으로 증명했다. 반도체, 양자컴퓨팅 등 차세대 기술의 근간이 되는 양자 터널링 현상을 정밀하게 제어할 수 있는 과학적 토대를 마련할 것으로 기대된다.

포스텍은 김동언 물리학과 교수 연구팀이 양자 역학의 핵심인 전자 터널링 과정의 수수께끼를 최초로 밝혀내고 실험으로 증명했다고 15일 밝혔다. 

김동언 교수 연구팀과 C. H. 케이텔 독일 막스플랑크 양자광학연구소 교수 공동연구팀은 강한 레이저를 원자에 조사해 전자의 양자 터널링을 유도했다. 그 결과 전자가 터널 안에서 원자핵과 다시 충돌하는 현상을 최초로 관측했다. 연구진은 이 과정을 ‘터널링 장벽 내 재충돌(UBR)’이라고 이름붙였다.

양자 터널링은 전자가 자신이 가진 에너지로는 절대 넘을 수 없는 에너지 장벽을 마치 벽을 통과하듯 지나가는 양자역학적 현상이다. 반도체 작동 원리와 태양의 핵융합 반응 등 다양한 자연현상과 기술에 핵심 역할을 해왔다. 터널링하는 ‘순간’ 동안에 어떤 일이 벌어지는지는 그간 이론적으로만 존재했으며 실험적으로 증명된 적은 없다.

연구팀은 전자에 강한 레이저를 가해 터널링을 유도한 뒤 전자가 장벽 안에서 원자핵과 재충돌하는 경로를 추적해냈다. 특히 이 재충돌 과정에서 전자가 에너지를 얻어 기존보다 훨씬 강한 이온화를 유발하는 것을 확인했다.

이 현상은 기존 전자 터널링 이론으로 설명할 수 없는 ‘프리먼 공명(Freeman Resonance)’ 강화로 나타났다. 레이저 세기를 바꿔도 이 효과는 유지돼 프리먼 공명이 강화되는 현상이 본질적인 양자역학적 상호작용임을 확인했다. 프리먼 공명은 강한 레이저장 속에서 전자가 특정 에너지 상태에 머물며 이온화가 비정상적으로 증폭되는 현상이다.

김동언 교수는 “전자가 벽을 통과하는 중에 어떤 움직임을 보이는지를 세계 최초로 규명한 것”이라며 “양자 터널링을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성이 열렸다”고 강조했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 5월 27일 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.213201

[박정연 기자 hesse@donga.com]