갈륨비소의 도랑에 내리기
LANDING IN THE TRENCHES OF GALLIUM ARSENIDE
뉴욕 맨하탄 고층빌딩들 사이를 날고 있는 헬리콥터의 착륙장소로는 높은 건물의 옥상이 가장 적당할 것이다. 그런데 7월 13일 발표된 논문에 (Y. Liu, A. J. Komrowski, and A. C. Kummel, Phys. Rev. Lett. 81, 413 (1998)) 의하면, 고층빌딩 위를 날고 있던 헬리콥터가 빌딩들을 피해서 땅바닥에 착륙하는 것 같은 현상이 원자수준에서 일어난다고 한다. 즉, 브롬 분자(Br2)를 갈륨비소(GaAs) 표면에 뿌리면, 브롬분자는 표면에 있는 원자와 결합하지 않고, 표면 원자 층이 일부 깨져 만들어진 좁은 "도랑" 속에 들어있는 표면에서 두 번째 층의 원자들과 결합한다는 것이다. 이와 같이 표면 반응을 선택적으로 정확하게 제어하는 기술은 미래의 반도체 공정에 중요한 역할을 할 것이 분명한데, 많은 물리학자들은 반응성이 강한 할로겐족 분자들(Cl2, Br2)이 중요한 역할을 하여 반도체 소자들의 성능향상에 크게 기여할 것이라고 생각하고 있다.
갈륨비소의 여러 표면 가운데 하나는 표면 첫 층에는 As dimer들만 열을 지어 있고, 그 사이사이의 도랑에는 Ga으로만 이루어진 둘째 층이 드러나 있는 형태를 가진 것이 있다. 미국 San Diego 소재 캘리포니아 주립대학의 A. Kummel과 동료들은 주사투과현미경(STM)을 사용하여 원자수준에서 브롬과 같은 할로겐족 분자들과 GaAs 표면 사이의 상호작용을 연구해 왔다. 처음에는 특정한 갈륨비소 표면을 브롬분자로 처리하고 STM으로 관찰했을 때, 반응이 전혀 일어나지 않은 표면만 관찰되어 반응성이 대단히 강한 브롬 분자가 GaAs 표면과 정말로 전혀 반응하지 않는지 의아해 하고 있었다. 그러던 어느 날, 연구그룹의 Yong Liu가 STM 이미지의 농담(contrast)을 조절하자, 어두운 도랑 안에서 둘째 층의 Ga 원자들과 결합하고 있는 브롬 원자들의 모습이 드러났다. Kummel은 그때 서로를 쳐다보면서 왜 그런 간단한 생각을 못했었는지 완전히 바보가 된 듯한 기분이었다고 한다. 이러한 예상치 못한 결과의 원인을 이들은 논문에서 아주 간단하게 설명하고 있다. 즉, 브롬분자는 전자를 쉽게 내놓을 수 있는 "antibonding" 상태에 있고, 도랑 안의 Ga 원자열은 전자를 쉽게 받아들이는 empty dangling bond 상태에 있어서 궁합이 완벽하게 맞기 때문이라는 것이다. 반면에 표면 층에 있는 As 원자들은 이미 두 개의 전자가 차 있는 filled dangling bond들로만 되어 있다. 따라서 표면에 도달하는 브롬분자들은 As 원자들과는 쉽게 결합을 할 수 없고, Ga 원자들에는 이끌리게 된다는 것이다.
미국 Riverside 소재 캘리포니아 주립대학의 Jory Yarmoff는 "이러한 형태의 반응을 관찰했다는 것은 대단히 의미있는 일이다", "노출되어 있는 원자가 표면에 도달하는 물질과 가장 먼저 반응하는 것이 상식적인데, 이보다 화학반응이 잘 되느냐 그렇지 않느냐에 의한 효과가 더 중요해 지는 경우가 있다는 것을 잘 보여주고 있다." 라고 한다. 그는 이러한 현상이 실제 실험에서 관찰된 것은 이번이 처음이라며 이러한 화학반응을 이용해서 나노스케일의 구조를 만드는 것이 가능하다고 한다.
열전달 양자
THE QUANTUM OF HEAT FLOW
물리학자들은 전기전도도가 양자화 될 수 있다는 것을 이미 십여 년 전부터 알고 있었다. 즉, 적당한 조건하에서 전기전도도는 아무 값이나 가질 수 있는 것이 아니고 universal conductance quantum이라는 단위로 나타난다는 의미이다. 그런데, 작년에는 비슷한 양자화가 열전도 현상에서도 일어난다는 것이 이론적으로 발견되었다. 아주 가느다란 선의 온도가 거의 절대영도에 가까운 상태에서 열이 흐를 때 열 양자(heat quantum)는 선의 모양이나 크기 또는 선이 만들어진 물질과 무관하게 보편적이어야 한다는 것이다. 그런데, 이론적 가능성에 대한 고찰에 그친 것에서 진일보하여, 7월 6일에 Phys. Rev. Lett.에 발표된 논문에서 캐나다 Simon Fraser 대학의 Luis Rego와 Geroge Kirczenow는 이러한 현상이 실제 실험에서도 관측될 수도 있다는 것을 이론적으로 증명하여 주목을 받고 있다.
광파가 광자의 집합으로 표현될 수 있는 것과 마찬가지로, 결정격자의 진동도 물질내부에서 이동을 하며 열이라는 에너지를 전달하는 포논으로 표현될 수 있다. Rego와 Kirczenow는 저온에서 아주 가느다란 선이 포논을 가지고 있을 때 열전도도는 k2Ր2T/3h라는 단위로 양자화 된다는 것을 증명하였다. 여기서 k는 볼쯔만 상수이고, T는 온도, h는 플랑크 상수이다 (전기전도도의 양자는 e2/h이다. 이때 e는 전자의 전하량이다. 이 양자화는 유명한 양자 홀 효과에서 나타난다). 열 양자의 존재는 California Institute Technology의 Michael Roukes와 동료들에 의해서 지난해에 간접적으로 추론되었으나, 이번에 Rego와 Kirczenow는 어떻게 실험으로 이것을 관찰할 수 있는지 분석했던 것이다. 열전도도의 양자화를 실험적으로 관찰하는 데 있어서 가장 큰 어려움 중의 하나는 열원에 연결되어 있는 선의 양쪽 끝에서 반사되는 포논의 효과였다. Rego와 Kerczenow는 단면이 정사각형인 선의 경우에 양 끝단의 연결이 아주 매끄럽다면 반사되는 포논의 효과를 최소화할 수 있다는 것을 증명하였는데, 이는 트롬본의 끝이 바깥으로 퍼져나가는 종 모양의 형태를 하고 있는 것과도 관련이 있다. 즉, 트롬본에서 퍼져나가는 종 모양의 끝은 음파의 내부 반사를 최소화해서 끝이 그냥 직선일 때보다 더 많은 음파가 밖으로 나갈 수 있게 해주는 것이다.
결정내의 열전도는 포논과 전자에 의한 것으로 나눌 수 있는데, 이들이 발견한 포논에 의해 전달되는 양자를 나타내는 식은 다른 연구자들이 발견한 전자에 의해 전달되는 열 양자에 대한 식과 완전히 동일하다 (Phys. Rev. Lett. 78, 1114 (1997)). Kirczenow는 이러한 결과가 "정말 놀라운" 것이라고 한다. 왜냐하면 전자는 페르미온이고 포논은 보존으로서, 두 종류의 입자들은 서로 완전히 다른 근본 법칙을 따르기 때문이다. Roukes와 동료들은 Rego와 Kirczenow가 예측한 열 양자를 실제로 관찰하기 위해 실험을 진행하고 있다. 이들은 지난 몇 년간 이렇게 작은 양의 열 전달을 연구할 수 있는 나노구조를 만드는 새로운 방법들을 개발해오고 있었는데, Rego와 Kirczenow의 새로운 이론적 분석으로 무장하고 지금까지 해온 실험 방법들을 보완하면 열전달 양자가 실제로 측정될 수 있을 것이라고 기대하고 있다.
1/r3 힘 찾기
ATOMS PROBE AN UNNATURAL FORCE FIELD
물리학에서 가장 오래 전부터 다루어온 문제들 중에 하나는 대포알, 행성, 또는 위성과 같이 중력장 아래서 움직이는 물체들의 궤적을 예견하고 검증하는 것이다. 이러한 중력은 물체간 거리의 제곱에 반비례한다. 그런데, 만약에 달과 지구 사이의 중력이 거리의 세제곱에 반비례하면 어떻게 될까? 이론적으로는 일반물리 시간에 간단히 해결될 수 있는 의문이지만 실험적으로는 이런 힘을 관측하기 쉽지 않다. 그런데, 7월 27일에 발표된 논문에서 오스트리아의 연구팀은 거리의 세제곱에 반비례하는 힘의 영향력 아래서 움직이는 물체의 운동을 최초로 관찰했다고 보고했다 (Phys. Rev. Lett. 81, 737 (1998)). 즉, 원자가 전하를 띠고 가느다란 선으로 다가갈 때 이러한 거동을 보인다는 것이다. 전자와 같이 전하를 띤 입자가 고정된 점전하로부터 r만큼 떨어져 있을 때 느끼는 힘은 1/r2에 비례하고, 무한히 긴 선모양의 전하로부터 r만큼 떨어져 있을 때는 1/r에 비례한 힘을 느낀다. 하지만, 원자는 중성이므로 아무런 힘을 느끼지 않아야 하는데, 실제로는 원자를 이루고 있는 전자구름은 신축성이 있어서 다른 전하로부터 힘을 받는다. 즉, 전하를 띤 가는 선으로부터 나오는 전기장이 원자의 전자구름을 분극하여 약간 중심에서 벗어나게 하여 1/r3에 비례하는 힘을 느끼게 된다. 그런데, 1/r3에 비례하는 힘이 작용하는 경우에는 안정된 궤도가 존재하지 않는다. 따라서, 태양의 중력이 1/r3에 비례한다면 지구와 같은 행성들은 모두 나선형을 그리면서 태양으로 빨려 들어갈 것이다.
오스트리아 Innsbruk대학의 Schmiedmayer와 동료들은 작은 물체가 띠는 전하와 전류가 만들어내는 힘장의 작용에 관심을 갖고 있었다. 이들은 지름이 마이크로미터 정도인 가느다란 선이 전하를 띠고 있을 때 원자와 전하를 띤 선에 의한 전기장의 상호작용을 관찰했다. 우선, 리튬(Li) 원자구름을 일반적인 magneto-optic trap을 사용하여 냉각한 후, 레이저빔을 이용하여 약 천만개 정도의 원자로 구성된 지름이 약 1 mm 정도의 원자구름을 만들었다. 이 원자구름을 전하를 띤 선 가까이 가져가면서 원자구름을 만들 때 사용했던 레이저의 출력을 대폭 줄여 원자들이 가는 선에 있는 전하의 힘장 또는 퍼텐샬에 의해서만 영향을 받으면서 자유롭게 움직이도록 했다. 이렇게 하자 리튬 원자구름은 약 1-2초 사이에 모두 사라지고 말았는데, 약하게 만든 레이저빔을 이용하여 측정해본 결과, 원자가 사라지는 비율이 선의 지름과 선이 가지는 전하에 따라 달라지는 것을 알게 되었다. 이는 원자들과 전하를 띤 선 사이에 1/r3 형태의 힘을 가정한 이론적 계산과 완벽하게 일치했다.
영국 Sussex 대학의 Edward Hinds는 이들의 연구결과를 이용하면 "표면 근처에 운동에너지가 아주 낮은 냉각된 원자들을 가까이 가져올 수 있다는 가능성 때문에 아주 흥미롭다"라고 말했다. 그는 이런 방법으로 전통적인 광전자와 마치 원자 빔을 레이저처럼 파동으로 보고 조작하는 원자광학을 통합할 수도 있다고 생각한다. 한편, Schmiedmayer 자신은 이번 실험에 사용한 가는 선을 다른 것으로 대치해서 더 독특한 실험을 하고 싶다고 한다. "내 꿈은 나노튜브나 DNA 분자를 선으로 사용하는 것이다".
[편집위원 박용섭(park@kriss.re.kr)]