▲ 조범석 UNIST 교수가 양자반사로 인해 빛과 물질파가 같은 성질을 가진다는 사실을 밝혔다. .

국내 연구진이 빛과 물질파가 양자반사로 인해 같은 성질을 가진다는 사실을 밝혔다.

UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 21일 조범석 UNIST 자연과학부 교수와 독일 프리츠 하버 연구소(FHI)의 빌란 쇌코프 박사로 이루어진 국제 공동연구진이 원자보다 작은 세계에서는 일어나는 ‘물질파 현상’이 양자반사가 기여함을 밝혔다.

파동은 물이나 공기를 통해 운동이나 에너지가 전달되는 현상으로 장애물을 만나게 되면 휘어져 돌아가는 성질을 가진다. 이를 회절이라 부르는데 빛의 파동에서는 파장이 같으면 회절패턴이 동일하다. 빌에서 파장이 모든 성질을 결정하기 때문이다.

그러나 원자나 분자같은 물질을 이루는 입자가 보이는 성질의 물질파의 경우 이야기가 틀리다.

물질파는 파장이 같아도 입자가 다를 수 있어 회절패턴도 달라질 수 있는데 이는 물질파에선 입자의 속도와 질량을 조합해 얻는데 두 요소를 조합하면 동일한 파장을 만들 수 있기 때문이다.

이에 연구진은 헬륨 원자와 헬륨 이합체, 중수소 분자의 질량과 속도를 조합해 동일한 파장을 만들었다. 이후 각각을 분자 빔(beam)으로 만들어 고전광학용 회절판에서 산란시켰다. 물질파가 장애물을 만났을 때 어떻게 회절되는지 살피기 위해서다.

조 교수는 “여러 조건에서 각각의 물질파를 관측한 결과, 파장만이 회절 패턴을 결정한다는 결론을 내렸다”며 “회절 패턴에 대한 이러한 보편적인 현상은 양자역학의 기본 원리인 양자반사에서 그 원인을 찾을 수 있었다”고 설명했다.

양자반사는 양자역학이 작용하는 미시세계에서 나타나는 현상이다. 바닥에 떨어뜨린 물질이 표면에 닿지도 않고 튕겨져 나올 수 있다. 이번 실험에서 물질파가 회절판에서 산란될 때 표면과 상호작용하면서 양자반사가 일어났다. 이에 입자 자체가 다르거나 질량이나 속도 등이 달라도 회절 패턴을 동일해진 것이다.

조 교수는 “입자의 파동성은 고등학교 물리 시간에, 양자반사는 모든 물리학과 학생이 양자 물리학 시간에 배우는 내용”이라며 “빛과 물질파의 유사성이 양자반사 현상으로 유지된다는 점을 이해하는 건 기초 물리학에서 매우 중요한 일”이라고 전했다.

그는 이어 “이번 연구는 빛과 물질파의 차이점이 극복되는 결과를 얻어냈다는 데 의미가 있다”며 “물질파에 대해 아직 밝혀지지 않는 현상들을 이해하는 초석이 될 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 미래창조과학부의 우수신진연구자 지원사업과 UNIST의 미래전략과제의 지원을 받아 수행됐다. 조범석 교수는 포스코 청암재단의 사이언스 펠로쉽에 선정되기도 했다.

한편, 이번 연구결과는 19일자 ‘사이언스 어드밴스(Science Advances)’에 발표했다.