‘두 얼굴’의 빛, 세계 최초로 포착

 

빛의 파동성과 입자성 동시 관측 결과를 이미지로 만든 모습. 등고선 형태의 무늬(아래쪽)는 간섭현상으로 전자가

모여있는 모습(파동성)을 나타낸다. 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 마루의 높이가 높아지는 이유는 빛이 가진 에너지의

불연속성 때문이다(입자성). - Fabrigio Carbone 제공

스위스 연구진이 빛의 두가지 특성을 동시에 포착하는 데 세계 최초로 성공하였다. 파브리지오 카르보네 스위스 로잔연방공대 물리학과 교수팀은 빛이 가진 파동과 입자로서의 성질을 동시에 관측했다고 2일 밝혔다.

빛이 파동과 입자의 성질을 동시에 갖고 있다는 점은 잘 알려진 사실이다. 파동성이란 19세기에 확인된 빛의 특징으로 물결처럼 진동하면서 장애물을 만나면 굴절되는 등의 특징을 말한다. 그런데 20세기 들어 아인슈타인이 자외선을 금속에 쪼이면 전자가 튀어나오는 '광전효과'를 발견하면서 빛이 입자의 성질도 가지고 있다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 지금까지 이 두 가지 성질을 한 번의 실험에서 동시에 시각적으로 확인한 적은 없었다.

연구진은 빛의 두 가지 특징을 관찰하기 위해 간접적인 방식을 이용했다. 은나노선에 빛을 쪼여준 뒤 금속 표면에서 나타나는 빛의 공명 현상에 전자를 흘려보내 준 것이다. 공명하는 빛이 흐르는 전자에 미치는 영향을 초고속투과전자현미경으로 관찰했다.

실험 결과 공명하고 있는 빛을 지나는 전자들의 속도가 변하는 현상이 확인됐다. 진행하던 전자가 입자 상태인 빛(광자)과 부딪혀 속도가 변하는 것이다. 연구진은 초고속투과전자현미경으로 위치별 속도 변화를 파악해서 공명하는 빛을 시각화하는 데 성공했다.

연구진이 포착한 빛의 모습은 물결처럼 간섭현상을 일으킨 빛이 마루와 골을 이루고 있는 형태였다. 동시에 마루와 골의 높이가 불연속적인 빛의 에너지 상태를 보여주고 있다. 이는 빛이 가진 입자성을 나타내는 특징이다.

카르보네 교수는 “양자역학을 촬영하는 데 성공한 것과 같다”며 “나노 세계에서 일어나는 양자 현상을 시각화하고 제어하는 데 도움을 줄 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 2일자게 게재됐다.

출처 : 동아사이언스