조범석 UNIST 교수, 나노 세계 '물질파 반사 메커니즘' 발견

주기성 반평면 집합체에서 물질파의 회절 현상을 측정한 조범석 교수팀(왼쪽부터 조 교수, 빌란트 쉘코프 독일 프리츠 하버 연구소 박사, 김이영 연구원, 이주현 연구원)
주기성 반평면 집합체에서 물질파의 회절 현상을 측정한 조범석 교수팀(왼쪽부터 조 교수, 빌란트 쉘코프 독일 프리츠 하버 연구소 박사, 김이영 연구원, 이주현 연구원)

UNIST가 눈에 보이지 않는 나노세계의 독특한 물리법칙을 규명할 메커니즘을 발견했다.

UNIST(총장 정무영)는 조범석 자연과학부 화학과 교수팀이 '물질파(matter-wave)'의 새로운 반사(회절) 매커니즘을 밝혀내 나노 세계에서 두드러진 '분산 상호작용'을 규명할 새로운 토대를 마련했다고 11일 밝혔다.

분산 상호작용은 물질 속 전자들이 나타내는 아주 미세한 힘이다. 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 세계에서는 물질에 큰 영향을 미친다. 워낙 미세해 측정이 어려웠지만 이번 연구로 물질파를 이용한 측정 가능성이 열렸다.

물질파는 입자가 아닌 파동으로 나타나는 물성이다. 물질의 질량이나 속도가 작을 때 두드러진다. 물질을 이루는 원자나 전자에서 볼 수 있는데 이 물질파를 이용하면 나노 세계의 새로운 물리현상을 밝혀낼 수 있다.

조 교수팀은 선폭이 아주 좁은 '사각파형 회절판'을 이용해 물질파의 회절 현상을 검증하고, 분산 상호작용을 측정할 수 있는 새로운 방법을 찾아냈다. 사각파형 회절판에 빛이나 물질파를 쏘면 장애물인 사각형을 돌아서 나아가는 회절 현상이 나타난다.

주기를 가지는 반평면에서 일어나는 물질파의 회절 현상 모식도. 회절되는 현상을 활용하면 나노 세계에서 나타나는 힘을 측정할 수 있다.
주기를 가지는 반평면에서 일어나는 물질파의 회절 현상 모식도. 회절되는 현상을 활용하면 나노 세계에서 나타나는 힘을 측정할 수 있다.

조 교수팀은 400마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만 분의 1m) 간격으로 사각형을 세운 사각파형 회절판에 헬륨(He)이나 중수소(D₂)로 이뤄진 물질파를 쏘았다. 사각형의 선폭을 줄여가면서 실험한 결과, 선폭 감소에 따라 물질파의 반사 결과가 '주기성 반평면 집합체'의 이론값에 가까워진다는 것을 확인했다. 여기서 '반평면'은 무한대로 펼쳐진 평면을 한 직선으로 잘라 둘로 나눈 한쪽을 일컫는 말이다. 광학에서는 이러한 이상적인 구조를 기본 모델로 활용해 회절 현상을 설명한다.

조 교수는 “사각파형 회절판에 물질파를 스치듯 입사시키는 방법으로 나노 구조 표면에서 나타나는 분산 상호작용을 측정할 기반을 마련한 것”이라며 “다양한 나노 구조의 분산 상호작용을 측정해 나노미터 크기의 전자제품과 부품 제조 과정에서 문제가 될 수 있는 영향력들을 예측할 수 있다”고 설명했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com