원자크기의 측정
우리 주변의 물체에 대한 크기를 재기 위해서 단지 미터의 자만 있으면 된다. 그러나 원자정도의 크기를 재기 위해서는 훨씬 더 정교한 측정방법이 필요하다. 지난 7월의 논문[Phys. Rev. Lett. 85, 495 (2000)]에서는 鐵원자의 들뜬 원자핵으로부터 방출된 방사선에 의해 짧은 길이를 측정하는 방법이 발표되었다. 앞으로 이러한 방법을 좀 더 개발함으로써 1 angstrom(1 angstrom은 1 ×10－10 m)의 백만분의 일 정도까지 정확하게 원자핵들을 구별하게 되어 물질의 구조를 조사하는데 사용하게 될 것이다.
한 때 파리에 있는 표준자에 의해서 길이를 재던 방식은 현재 He-Ne 레이저로부터의 빛이 1/299,792,458 초 동안 진행한 거리를 1 m로 정의하는 새로운 방식에 의해 길이를 측정하게 되었다. 그러나 He-Ne에서 나오는 빛의 파장은 6330 Å로서 원자크기의 측정을 위해서 사용하기에는 너무 크다. 대신에 물리학자들은 실리콘 결정에서의 원자들 간의 거리(격자상수라 정의됨)를 원자단위의 측정을 위해서 사용하기도 한다. 이 방법은 현재 파장이 5.43102288 Å인 x-선 측정에 의한 방법으로서 백만분의 0.029 정도의 오차의 범위 내에서 길이를 측정해 낼 수 있다. 그러나 실리콘 격자상수에 의한 측정방법에는 超高純度의 실리콘결정, 온도 및 압력에 대해 정확한 조절이 있어야 하는 등의 이유 때문에 실험상에 많은 어려움이 있다.
이에 대한 대안으로서 새로운 방법이 제안되고 있다. 즉 원자핵 전이로 생기는 Mssbauer 방사선에 의한 방법이 그것이다. 결정 또는 금속막에서 원자핵은 매우 잘 정의된 에너지를 갖는 광자를 흡수하거나 방출할 수 있다(Mssbauer 효과). 이러한 Mssbauer 방사선은 실리콘 결정에서의 격자상수와 달리, 온도, 압력, 순도와 같은 것을 고려할 필요가 없게 되어 측정상에 장점을 갖기는 하지만 최근까지 정확도가 14.4 keV의 광자에너지에 대해 겨우 10 ppm 정도인 것으로 알려져 왔다.
최근 독일 Hamburg 대학의 Yuri Shvyd'ko와 그의 동료들은 Fe57을 사용하여 파장이 0.86 Å인 방사선을 관측하기에 이르렀다. 그들에 의하면 특히 Fe57로부터의 방사선은 특별한 실험실 장비 없이도 매우 높은 정확도를 갖는다는 것이다. 그러나 좀 더 정확히 파장을 측정하기 위해서는 강력한 x-선이 필요하기 때문에 그들은 이러한 Mssbauer 방사선의 측정을 위해서 Hamburg에 있는 German Electron Synchrotron(DESY)와 Illinois에 있는 Argonne 국립연구소의 x-선 빔을 사용하였다.
이러한 Mssbauer 파장의 정확한 측정을 위해서 Shvyd'ko 연구진은 x-선 빔으로부터 특정한 파장을 취할 수 있도록
"파장선택기"를 구성하였고, 그 파장선택기로부터의 빔을 실리콘 결정에 照射하여 실리콘 격자상수(이 때의 기준 실리콘 격자상수는 표준 실리콘 격자상수로부터 결정되었다; 22.5 oC와 진공에서 0.07 ppm 오차범위 내에서)에 대한 Bragg 산란 관계(
＝2dhkl, 여기서 d는 반사면 사이의 거리에 대응된다)로부터 세 개의 기준파장을 결정할 수 있게 되었다. 이러한 단순한 실험구성을 통해 그들은 Fe57으로부터 Mssbauer 방사선의 파장을 결정하였다. 그 결과에 의하면 Fe57의 Mssbauer 방사선 파장은 백만분의 0.19 ppm의 오차범위 내에서 결정된 0.86025474 Å(대응하는 광자에너지는 14412,497 eV)이었고, 앞으로 x-선 또는
γ-선 파장의 결정 격자상수를 측정하는데 쓰일
전망이다. 미국 Murray Hill의 Lucent Technologies의 Eric Isaacs는 그들의 실험에 대해
"현재까지 진행되어 온 가장 정밀한 Mssbauer 효과의 측정"이라고 감탄하였다. 그리고 좀 더 정확한 측정을 위해서 앞으로 이러한 방사실험은 Eu151(21.5 kev), Sn119(23.9 keV), 그리고 Dy161(25.6 keV)의
γ-선 측정으로 이어질 전망이다.
전자의 방출을 쉽게 하기
그 동안 물리학자들은 금속표면으로부터 전자를 꺼내는데 드는 전기장을 10분의 1 이하로 축소하여 왔다. 비록 이러한 기술이 실험적으로는 금년 초에 이미 성취되었지만 어떻게 이러한 일이 가능한지에 대해서는 기존의 물리학 이론으로 설명하지 못했다. 그러나 지난 7월의 논문[Phys. Rev. Lett. 85, 864(2000)]
에서는 위의 실험에 대한 새로운 이론이 발표되었고, 이러한 일련의 연구결과로 곧 경제적으로도 저렴한 평판 컴퓨터 화면이 개발될 것이다.
현재 휴대용 컴퓨터 평판화면으로 사용되고 있는 액정화면은 정면이 아닌 옆면에서 사용할 때 더 어려움이 있다. 그러나 이에 비해서 FED(field emission display)는 어떤 방향에서도 별 차이 없이 사용할 수 있고, 고화질 화면의 장점이 있다. 한편 FED는 나노미터 크기의 수 백만개 바늘들로 구성되어 있는데,
이는 마치 번개를 형성하는 작은 번개조각들처럼 강한 전기장을 이용해 날카로운 바늘 끝으로부터 전자를 확 잡아챔으로써 화면을 이룬다. 이외에도 FED는 가격면에서 문제점이 있다: 첫째, 전자를 방출시키기 위해서 강한 전기장이 필요하기 때문에 高전압회로의 구성이 필요하다. 둘째, 날카로운 바늘들을 균일하게 만들어 주어야한다.
전자방출에 관한 기존의 미케니즘으로 열전자 내쏘기(thermionic emission)와 마당 내쏘기(field emission)를 들 수 있다. 열전자 내쏘기의 경우에는 전자가 일함수(work function)보다 높은 에너지를 가져야 하기 때문에 1300 K 이상의 높은 온도가 가해져야 하고, 마당 내쏘기의 경우에는 꿰뚫기 장벽(tunneling barrier)을 좁히기 위해서 5000 V/ m 이상의 전기장이 가해져야 방사전류를 형성할 수 있다.
한편 FED에서 균일한 바늘구성의 어려움을 극복하는 한 방법으로, 프랑스 Lyon 대학의 Vu Thien Binh와 그의 동료들은 백금판 위에 5 nm 두께의 얇은 반도체 층으로 구성된 새로운 방법(SSE; solid-state field-controlled emitter)을 고안하였다. 그들은 SSE를 사용하여 기존의 전기장에 비해 10분의 1 이하의 전기장으로도(약 50 V/ m) 정상전류를 유지하게 되었다. 왜냐하면 SSE로서 전자에 대한 퍼텐셜 장벽을 5에서 0.7 V 정도로 줄일 수 있었기 때문이다. 뿐만 아니라 바늘 대신에 평면판을 사용하기 때문
에 바늘의 디자인에 관한 문제점도 더 이상 염려할 필요가 없게 되었다. 그러나 그들은 왜
超薄膜 반도체 층(ultrathin semiconducting layer; UTSC)이 전자의 금속으로부터의 탈출을 쉽게 해 주는지에 대해서는 이해하지 못하였다.
SSE에서 퍼텐셜 장벽의 축소에 대한 이유를 알기 위해서 Vu Thien Binh 연구진은 UTSC의 양자에너지 준위에 관한 계산모형을 연구하게 되었다. 아무런 전기장도 가해지지 않을 때 금속에서 전자들은 소위 "Fermi 준위"라 불리우는 양자상태까지를 채우게 된다. 그리고 금속층을 넘어 UTSC로 들어가기 위해서 전자들은 0.7 eV 정도 이상의 에너지를 가져야 하고, UTSC를 완전히 탈출하기 위해서는 따로 4에서 5 eV의 에너지를 가져야 한다. 그러나 전기장이 가해지면, 일부 전자들은 UTSC로 뛰어넘게 되고, UTSC의 양자준위를 低에너지 쪽으로 휘게하는 부과 전기장이 생성된다. 그러
므로 그 부과 전기장에 의해 전자들은 금속을 떠나 바깥세상에까지 비교적 쉽게 도달하게 된다.
미국 Palo Alto에 있는 Hewlett-Packard의 Henryk Birecki는 "이러한 부과 전기장에 의한 에너지휨(energy bending)효과가 UTSC 시스템을 정성적으로 잘 설명해 주고 있다"고 언급하였다. 즉, 전기장에 의해 삽입된 전하들은 UTSC에서 커다란 에너지휨을 일으키고, 이로 인해 방사장벽이 낮아져서 전자들이 쉽게 UTSC로부터 방사된다는 것이다. 그러므로 기존의 Richardson과 Fowler-Nordheim의 금속 및 반도체표면으로부터의 열전자 내쏘기, 마당 내쏘기, 또는 최근의 탄소박막에서의 전자방사이론으로는 더 이상 위의 현상을 설명할 수 없고, 새로운 모형에 의해서만 UTSC 시스템을 설명할 수 있다. 이러한 노력을 통해 Vu Thien은 앞으로 2년 이내에 UTSC를 이용한 display가 상용화할 수 있을 것으로 예측하고 있고, 이의 실현을 위해 많은 실험 및 이
론개발에 관한 노력을 다하고 있다.
He6로부터의" 부드러운 쌍극자 공명"
많은 중성자들로 구성된 원자는 중심무더기(core cluster)와 바깥의 弱결합 중성자로 되어 있다. 이 경우에 그 과잉 중성자들은 "holo"(위성 원자핵)로 불리 우기도 한다. 이러한 구조로 인해 원자핵 구조에 있어서 새로운 운동이 형성되는데, 1980년 대 중반의 모형에 따르면, 이는 원자가(valence) 중성자들에 대한 중심무더기의 쌍극자 떨기로 인한 것으로 알려져 왔다. 이러한 떨기를 우리는 "부드러운 쌍극자 공명(soft dipole resonance; soft DR) "이라 부르고, 아직 이에 대한 이론은 정확히 정립되어져 있지 않지만 그 공명에너지가 수 MeV일 것으로 추정되고 있다.
이러한 soft DR은 양성자들이 중성자들과 반대로 떨기를 하는 "거대 쌍극자 공명(giant dipole resonance; GDR) ", 그리고 spin-up 양성자들이 spin-down 중성자들에 반대로 떨기를 하는(또는 spin-up 중성자들이 spin-down 양성자들에 대해 반대로 떨기를 하는 경우도 포함) "스핀 쌍극자 공명(spin-dipole resonance; SDR) "과는 아주 다른 경우이기 때문에 더욱 흥미롭다. 예를 들면, Li6의 경우에 세 개의 양성자는 세 개의 중성자에 반대로 떨게 되는데 이러한 형태의 떨기는 GDR의 경우에 해당된다. 한편 He6의 경우에는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 α입자가 다른 두 개의 중성자에 대해 반대로 떨기를 하는 soft DR의 경우로서 예측되어 왔다.
그 동안 soft DR에 대한 실험적 증명이 사실 계속 시도되어 왔지만, 한번도 측정은 이루어지지 않았고, 그러므로 soft DR의 존재의 자체에 대해서도 의아심을 가져 왔다. 그러나 최근 이러한 soft DR에 대한 실험적 관측이 Tokushima 대학 S. Nakayama 등의 일본인 과학자들 [Phys. Rev. Lett. 85, 262 (2000)]에 의해 이루어져 화제이다.
[편집위원 유종훈 (jhlyou@tiger.korea.ac.kr)]