초고속 전자의 움직임을 포착한다

원자 배열의 일그러짐을 가시화하는 기술이 개발되었다

금속은 원자가 규칙적으로 배열되어 결정 구조를 이룬다. 금속에 불순물을 조금 섞으면 원자 배열이 국소적으로 흐트러져 금속의 성질이 크게 바뀐다. 최근 이 방법을 사용한 새로운 물질 개발이 진행되고 있다. 그런데 이때 내부의 원자 배열을 직접 관찰할 방법이 없기 때문에 고성능 물질을 만들기 위해 어떤 불순물을 어느 정도 섞으면 좋을지 알 수 없었다.

독일 슈투트가르트 대학교의 로트(Sebas tian Loth) 박사 연구팀은 전자의 집단 운동을 검출해 물질 내부의 원자 배열을 가시화하는 분석 장치를 개발했다. 연구팀은 금속인 나이오븀(니오브)에 불순물로 셀레늄(셀렌)이라는 원소를 섞은 물질에 '테라헤르츠파'를 조사했다. 테라헤르츠파는 주파수가 빛보다 낮고 전파보다 높은 전자기파이다. 빛이나 전파는 전자를 그냥 지나치지만, 테라헤르츠파는 전자에 에너지가 흡수된다. 원자 배열이 흐트러진 위치에서는 전자의 집단 운동이 주위와 크게 달라진다. 연구팀은 수 피코초(1조분의 1)의 짧은 펄스폭을 가진 테라헤르츠파를 물질에 조사해, 물질 안을 초고속으로 움직이는 전자의 집단 운동을 포착하는 데 성공했다. 전자의 움직임을 분석함으로써 원자 배열이 흐트러진 위치를 1nm(1억분의 1) 이하의 정확도로 특정 할 수 있었다.

이번 성과는 초고속 반도체 스위치 등에 사 용될 새로운 물질의 개발 속도를 획기적으로 높일 것이라고 연구팀은 말했다.

출전: Nature Physics, 2024년 7월 15일
출처: 뉴턴 2024-10