물리 전자 저장 고리

2014.06.07 23:10

전자 저장 고리 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014060050&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-06-04

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최근 독일 연구진은 가속기 방사선(synchrotron radiation) 시설에서 방출된 펄스 트레인(pulse train)에서 단일 X-선 펄스를 선택하는 새로운 방법을 개발하였다. 본 기술은 양자 재료 및 초전도체(superconductor)의 전자 성질을 연구하는데 유용하게 사용될 수 있으며 다양한 펄스 길이를 갖는 미래의 가속기 시설에 대한 기반을 구축할 것으로 예상된다.

BESSY II와 같은 최신의 가속기 설비에서의 연구 덕택으로 새로운 재료 및 이에 대한 프로세스를 이해할 수 있게 되었다. 저장 고리(storage ring)에서 상대성 전자는 언듈레이터(undulator) 및 기타 디바이스에서 테라헤르츠에서 X-선 영역에 이르는 매우 밝고 부분적인 결맞음 광 펄스(coherent light pulse)를 생성한다.

하지만, 가속기에서 사용되는 대부분의 기술들은 광자가 부족한 상태로 혁신적인 실험을 진행하기 위해선 보다 밝은 광 펄스를 필요로 한다. 그러나 보다 강한 광 펄스에 대한 일반적인 바람은 재료 과학 분야에서 가장 중요한 기술 중 하나인 광전자 분광학(photoelectron spectroscopy)의 요구 조건을 충족시키지 못한다. 물리학자들은 수 십년 동안 분자, 기체, 고체 표면을 연구하기 위해 분광법을 이용하였다. 하지만, 너무나 많은 광자가 동시에 표면을 가격하게 되면 공간 전하 효과(space charge effect)로 인해 실험 결과가 이상하게 나타난다. 이러한 한계로 인해 특정 재료의 인자는 잘 알려져 있지 않았다. 따라서 X-선 펄스의 일시적 패턴은 표면 물리 분야에서 다루어져야 한다.

독일 HZB 연구진은 Nature Commnications에 고딕 매듭(gordic knot)의 풀이 결과를 보고하였다. 연구진의 방법은 가속기 설비에서 방출된 기존의 펄스 트레인에서 하나의 펄스를 뽑아내는 것이다. 그들은 현대의 기기에 기반을 둔 시간 비행 전자 분광학(time-of-flight electron spectroscopy)을 최초로 적용할 수 있었다.

펄스 선택 기술은 특정 상대성 전자 다발에서 횡단 진동 (transverse oscillation)의 준 공명 자기 전이에 기반을 두고 있으며, 언듈레이터 내에서 방사 꼬깔을 생성한다. 선택적 전이는 방사 꼬깔의 확대를 유발한다. 전자 빔 경로에 변형된 구조가 유입되면 규칙적인 방사 및 전이된 전자로부터 방사는 쉽게 분리되며, 나중에 펄스만이 도달하게 된다. 따라서, 펄스의 도착 시간은 현대의 고해상도 시간 비행 분광법에 완벽하게 수용된다.

연구진은 상이한 언듈레이터와 빔라인에서 시간 비행 분광법의 가용성을 입증하였다. 방출 조절에 대한 오랜 연구 경험이 이번 연구에 있어 큰 도움이 되었다고 연구진은 말한다. 과거 가속기 개발 덕택에 연구진은 낮은 알파 동작에서 트레인 묶음 중 극초단 펄스를 선택할 수 있었다.

[그림]
1. 특정한 시간 구조를 갖는 광 펄스 X-선을 필요로 하는 가속기 방사법

2. 일반적 동작에서 비전이 묶음(회색)은 언듈레이터 방사를 방출함. 전자빔에서의 변화는 규칙적인 방사가 축을 벗어나 방출되도록 함. 준 공명된 전이 묶음으로부터의 방사만이 빔라인에 유입됨.

[원문]
The work has now been published on May 30th 2014 in Nature Communications: Single Bunch X-ray Pulses on Demand from a Multibunch Synchrotron Radiation Source, K. Holldack et al. DOI: 10.1038/ncomms5010

[출처] http://phys.org/news/2014-05-x-ray-pulses-demand-electron-storage.html

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