[물리] 소용돌이 빔을 이용하는 전자 현미경

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-11-08

토네이도처럼 회전하는 소용돌이 빔이 전자 현미경의 아주 새로운 가능성을 제공할 수 있다. 매우 강한 소용돌이 빔을 생성하는 이 도구는 비엔나 공과 대학(TU Vienna)에서 개발되었다. 현재, 전자 현미경은 특히 재료 과학 분야에서 필수적인 장비이다. TU 비엔나의 연구진은 토네이도같이 소용돌이치며, 내부 회전을 하는 전자빔을 개발했다. 이 “소용돌이 빔”은 물체를 보는 데 사용될 뿐만 아니라, 나노 규모에서 물질의 특정한 속성을 정확히 관찰하는 데도 사용될 수 있다. 이들의 혁신적인 연구로 과학자들은 그 어느 때보다도 강렬한 소용돌이 빔을 생성할 수 있게 되었다.

토네이도에서, 개별 공기 입자는 반드시 특정 축으로 회전할 필요는 없지만, 공기 흡입은 전체적으로 매우 강력한 회전을 만든다. 비엔나 연구진이 개발한 이 회전 전자빔은 매우 유사한 방식으로 행동한다. 이들을 이해하기 위해서는 전자를 단순한 관점에서 생각할 것이 아니라, 그것들이 자기 자신의 축에서 가장 잘 회전할 수 있다는 것을 알아야 한다. 반면, 소용돌이 빔은 양자 물리학의 관점에서 설명될 수 있다. 이 전자는 파와 같이 행동하며, 양자파는 토네이도나 배의 프로펠러 뒤에 소용돌이치는 물처럼 회전한다. “소용돌이 빔이 각운동량을 가지면, 그것은 이 각운동량을 그것이 접하는 개체에 전송한다”고 TU 비엔나 고체 물리학 연구소의 Peter Schattschneider 교수가 말했다. 고체 물체에서 전자의 각운동량은 그것의 자기 속성과 밀접한 관련이 있다. 재료 과학에서는, 이러한 새로운 전자빔에 맞는 각운동량 조건에 따라 특성이 달라질 수 있다는 장점이 있다.

Peter Schattschneider와 Michael Stoger-Pollach(USTEM, TU Vienna) 연구진은 투과형 전자 현미경(transmission electron microscope)에 맞는 가장 강렬하고 제어 가능한 소용돌이 빔을 만들기 위하여 함께 노력하였다. 첫 번째 성공은 2년 전에 이루어졌다. 이때 연구진은 전자빔을 매우 작은 격자 마스크를 통해 발사하였고, 그것은 세 개의 부분 빔으로 나누어졌다. 그들 중 하나는 오른쪽으로, 또 하나는 왼쪽으로, 그리고 다른 하나는 회전하지 않았다. 그때보다 훨씬 더 강렬한 도구가 개발되었다. 연구진은 반이 실리콘 질화물 층으로 덮인 스크린을 사용했다. 이 층은 매우 얇아서, 전자는 어떠한 흡수 없이도 그것을 통과하지만, 적절하게 위상 변위도 할 수 있다. “특별히 맞춘 난시 렌즈(astigmatic lens)를 사용하여 초점을 맞추면, 각각의 소용돌이 빔이 만들어진다”고 Michael Stoger-Pollach는 말했다.

전자빔에서 “구멍”은 정전기 렌즈의 난시를 조정하여, 특이점(singularity)이 빔의 중앙에 나타나게 한다. 이것은 빔이 소용돌이치는 것을 증명해 준다. 이 빔은 지금까지 만든 어떠한 소용돌이 빔보다 더 강렬하다. “첫째, 우리는 격자 마스크에서 그랬던 것처럼, 빔을 세 부분으로 나누지 않고, 전체 전자 줄기가 회전하게 설치했다. 두 번째, 격자 마스크는 전자의 반을 차단하는 단점을 가지고 있다. 하지만 새로운 스크린은 그렇지 않다”고 Stoger-Pollach가 말했다. 이 새로운 기술 덕분에, 오른쪽과 왼쪽으로 회전하는 빔은 우리에게 신뢰를 주었다. 이것은 각고의 노력 끝에 이루어졌다. 만약 우리가 오른쪽과 왼쪽 회전 빔 각자에게 약간의 각운동량을 추가하면, 한 빔의 회전은 증가하고, 나머지 빔의 회전은 감소한다.

연구진은 이 새로운 기술을 Physical Review Letters에 발표하였다. 앞으로의 목표는 이 도구를 재료 과학에 적용하는 것이다. 자기 속성은 새롭게 개발된 물질에서, 관심의 대상이 되고 있다. “소용돌이 빔을 가진 투과형 전자 현미경은 이러한 속성을 나노 규모의 정확성으로 관찰할 수 있다”고 Peter Schattschneider가 말했다. 소용돌이 빔의 더 많은 응용이 있을 것이다. 원칙적으로, 모든 종류의 개체에 이를 적용할 수 있다. 심지어 각운동량을 가진 개별 분자에도 이 빔을 적용할 수 있다. 소용돌이 빔은 나노기술에 새로운 길을 제시했다.

(그림 1) 스크린을 통과하는 전자빔이 소용돌이 빔으로 변형되고 있다.

(그림2) 과거에는 마스크와 같은 특별한 격자판이 소용돌이 빔을 만드는 데 사용되었다.

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