과학자들이 원자의 비밀스러운 양자 춤을 처음으로 포착했습니다.

초단파 고강도 X선 레이저 펄스는 분자의 제어된 폭발을 유발하여 분자 구조의 고해상도 이미지를 포착할 수 있게 합니다. 사진 제공: 틸 얀케 / 프랑크푸르트 괴테 대학교

우리 대부분은 양자 세계를 이해하기 어려워합니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리에 따르면, 이는 마치 누군가가 정확히 어디에서 춤을 추는지, 그리고 얼마나 빨리 움직이는지 동시에 볼 수 없는 춤을 관찰하는 것과 같습니다. 항상 한쪽에만 집중해야 합니다. 그러나 이 양자 춤은 혼돈과는 거리가 멉니다. 춤추는 사람들은 엄격한 안무를 따릅니다. 분자에서 이러한 기이한 현상은 또 다른 결과를 초래합니다. 분자가 절대 영도에서 완전히 얼어붙더라도 결코 완전히 정지하지 않습니다. 분자를 구성하는 원자들은 소위 영점 에너지에 의해 끊임없이 끊임없이 조용한 춤을 춥니다.

상관된 영점 운동의 첫 번째 직접 측정

오랫동안 이러한 패턴화된 영점 운동은 직접 측정이 불가능하다고 여겨졌습니다. 그러나 프랑크푸르트 괴테 대학교와 협력 기관의 과학자들은 이제 독일 함부르크에 있는 세계 최대 규모의 X선 레이저인 유럽 XFEL에서 바로 그 측정에 성공했습니다. 그들은 개별 분자에 "스포트라이트"를 비추고 원자의 스냅샷을 촬영하여 "원자의 춤"을 포착했습니다. 이를 통해 각 원자의 정확한 안무를 드러낼 수 있었습니다.

프랑크푸르트 괴테 대학교 핵물리학 연구소와 하이델베르크 막스 플랑크 핵물리학 연구소의 틸 얀케 교수는 이렇게 설명합니다. "저희 연구에서 흥미로운 점은 원자가 개별적으로 진동하는 것이 아니라, 고정된 패턴을 따라 결합된 방식으로 진동한다는 것을 밝혀냈다는 것입니다. 저희는 가장 낮은 에너지 상태에 있는 중간 크기의 개별 분자에서 이러한 거동을 처음으로 직접 측정했습니다. 이러한 영점 운동은 고전적으로 설명할 수 없는 순수 양자역학적 현상입니다." 물리학자들은 안무 대신 진동 모드에 대해 이야기합니다. 두세 개의 원자로 구성된 분자의 운동 패턴은 비교적 쉽게 따라갈 수 있지만, 연구 대상인 11개의 원자로 구성된 요오드피리딘처럼 중간 크기의 분자에서는 빠르게 복잡해집니다. 요오드피리딘은 발레부터 탱고, 포크댄스까지 27가지의 다양한 진동 모드를 가지고 있습니다.

"이 실험은 오랜 역사를 가지고 있습니다."라고 얀케는 말합니다. "처음에는 2019년에 유럽 XFEL에서 레베카 볼이 주도한 측정 캠페인을 통해 데이터를 수집했는데, 당시에는 완전히 다른 목표를 가지고 있었습니다. 2년 후가 되어서야 실제로 영점 운동의 징후가 관찰되고 있다는 것을 깨달았습니다. 이러한 획기적인 발견은 함부르크 자유 전자 레이저 과학 센터의 이론 물리학 동료들과의 협력을 통해 이루어졌습니다 . 특히 브누아 리샤르와 루저 인헤스터는 데이터 해석을 완전히 새로운 차원으로 끌어올린 새로운 분석 방법을 제시했습니다. 돌이켜보면, 수많은 퍼즐 조각들이 완벽하게 맞아떨어져야 했습니다."

폭발로 분자 구조가 드러났다

하지만 춤추는 입자의 이미지를 어떻게 포착할 수 있을까요? 쿨롱 폭발 이미징(Coulomb Explosion Imaging)이라는 기술을 사용하면, 초단파 고강도 X선 레이저 펄스로 분자를 제어된 폭발 상태로 만들어 고해상도 구조 이미지를 얻을 수 있습니다. X선 펄스는 분자에서 수많은 전자를 분리시켜, 이제 양전하를 띠게 된 원자들이 서로 밀어내 1조 분의 1초도 안 되는 짧은 시간 안에 분리되도록 합니다. 이렇게 분리된 조각들은 충돌 시간과 위치를 측정하는 특수 장치를 통해 기록되어 분자의 원래 구조를 재구성할 수 있습니다. 이 COLTRIMS 반응 현미경은 지난 수십 년 동안 괴테 대학교 원자물리학 연구실에서 개발해 왔습니다. 유럽 XFEL에 맞춰 특별히 제작된 버전은 그레고르 카스티르케 박사가 박사 과정 중에 제작했습니다. 카스티르케 박사는 이 장치가 작동하는 모습을 보는 것은 특별한 경험이라고 말합니다. "이렇게 획기적인 결과를 직접 보면 조금 자랑스럽습니다. 결국 오랜 준비와 긴밀한 팀워크를 통해서만 얻을 수 있는 결과니까요."

양자 세계에 대한 새로운 통찰력

이 결과는 양자 현상에 대한 완전히 새로운 통찰력을 제공합니다. 연구진은 최초로 더욱 복잡한 분자에서 영점 운동의 복잡한 패턴을 직접 관찰할 수 있게 되었습니다. 이러한 결과는 프랑크푸르트에서 개발된 COLTRIMS 반응 현미경의 잠재력을 보여줍니다. 얀케는 "우리는 끊임없이 연구 방법을 개선하고 있으며 이미 다음 실험을 계획하고 있습니다."라고 말했습니다. "우리의 목표는 원자의 움직임을 넘어 전자의 움직임을 관찰하는 것입니다. 전자의 움직임은 훨씬 더 빠르고 원자 운동의 영향을 받습니다. 이 장비를 통해 분자 과정의 실제 단편 영상을 점진적으로 제작할 수 있게 되었는데, 이는 한때 상상조차 할 수 없었던 일입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250810093242.htm