빛의 '입자'와 '파동'을 동시에 시각화하는데 세계 최초로 성공

빛이 가진 '입자'와 '파동'이라는 이중의 성질을 시각화하는데 스위스 연구팀이 처음으로 성공했다. 이 실험의 키는 전자를 매체로 한 독자적 촬영방법에 있다.

파동과 입자의 성질을 모두 포착하는 초고속 전자현미경 Photo : Fabrizio Carbone / EPFL

빛은 '입자'나 '파동'이라는 이중적 성질이 있는데, 그런 성질을 가진 마이크로 물질(입자, 전자, 원자, 분자 등)을 '양자'라고 부른다. 이 작은 물질의 운동은 어떤 의미에서는 매우 직관적인데, 유명한 이중슬릿실험에서도 빛의 이중성이 확인되었다. 발사된 하나의 입자는 2개의 슬릿 중 하나를 통과한 다음 표면에 '점'으로 착탄하지만, 이를 반복하면 착탄한 입자의 확률분포가 서로 간섭하는 파동을 방불케하는 간섭무늬를 그린다.

문제는 입자와 파동, 둘의 성격을 모두 동시에 관측한 적이 없다는 것이다. 애초에 양자가 입자처럼 운동할지 파동처럼 할지는 관측방법에 따라 달라진다. 그러나 이 입자라고도 파동이라고도 할 수 없는 것이 양자이므로, 이 이중성의 해석에 연구자들은 고민해왔다.

로잔연방공과대학교(EPFL)의 연구팀은 어느 실험방법을 통해 파동과 입자의 이중성을 동시에 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다. 일반적으로 물질의 촬영에는 빛이 필요하지만, 이번 실험의 난제는 빛 자체를 어떻게 피사체화할지 계획하는 데 초점이 맞춰져 있었다. EPFL의 하브리지오 카르보네 박사가 이끄는 연구팀은 빛의 이중성의 시각화에 '전자'를 매체로 이용하였다.

실험에서는 우선 작은 금속제 나노와이어에 레이저 펄스를 맞추고, 와이어 내의 하전입자에 에너지를 가하여 진동시켰다. 이 전자파 ── 즉 빛은 마치 도로의 대면통행처럼 나노와이어에 따라 두 방향으로 흘러 반대방향의 파동과 간섭하여 정상파를 만들어낸다. 나노와이어를 둘러싸도록 방사되는 이 정상파야말로 이번 실험의 빛의 원천이 될 것이며, 빛의 파동으로서의 성질을 나타내는 것이다.

그 다음 연구진은 나노와이어를 향한 전자빔을 가까운 거리에서 발사하여 빛의 정상파에 간섭시켰다. 전자는 나노와이어를 타고 광자(즉 '입자'로서의 성질)에 부딪쳐 이것을 가속시키거나 감속시킨다. 이러한 속도변화는 전자와 광자의 충돌로 교환되는 에너지의 패킷(또는 양자)으로 표현되고, 그 위치를 초고속 전자현미경으로 포착하여 광파(정상파)와 그 속에 존재하는 각각의 빛의 입자를 동시에 시각화할 수 있다.

집합체로서의 빛은 입자에 가깝거나 파동에 가까운 것, 또는 그 어느 쪽이라고도 할 수 없는 것 등 다양한 상태의 광자가 혼재하고 있다.

이번 실험에서는 파동처럼 운동하는 빛의 집합체 속에 전자를 충돌시킴으로써 입자로 행동하는 광자를 찾아내어, 파동과 입자를 한번에 이미지화하는데 성공했으며, 하나의 실험에서 양자의 이중성을 확인하는 좋은 아이디어이다. 이것은 강의 물결의 표면에서 각각의 물분자의 운동을 아는 것은 불가능하더라도, 염료를 첨가한 미세입자를 대량으로 투입하면 입자와 파동이 동시에 보인다는 예를 상상하면 이해하기 쉽다.

양자물리학의 돌파구가 되는 이 실험의 자세한 내용은 'Nature Communications'에 오픈저널로 공개되어 있다.

"이 실험은 상반되는 성질을 가지는 양자역학을 직접 촬영할 수 있다는 것을 보여준 최초의 실험입니다. 양자적 현상을 나노스케일에서 컨트롤하고 시각화하는 것은 양자연산 분야에 새로운 길을 열 것입니다."라고 카르보네 박사는 말한다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field
https://www.nature.com/articles/ncomms7407

· 光の「粒子」と「波動」を同時に可視化、世界で初めて成功
https://wired.jp/2015/03/28/visualize-light-wave/