[물리] 양자 진동의 특이 형태 관찰

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-10-29

최근 미자원부 오크리지 국립 연구소(Department of Energy`s Oak Ridge National Laboratory)의 과학자들은 우라늄 니트리드(uranium nitride) 화합물에서 질소 원자가 등방성 양자 조화 진동기(isotropic quantum harmonic oscillator)로 알려진 물리 교과서의 이상적 구현을 형성하는 예기치 않은 명확한 진동이 나타냄을 알 수 있었다.

무거운 우라늄 원자의 우리(cage) 중심에 가벼운 질소 원자를 갖고 있는 우라늄 니트리드 결정을 이용한 실험에서 중성자 산란(neutron scattering)을 통해 명확하고 고르게 분포된 예상치 못한 일련의 진동이 확인되었다. 질소 원자는 스프링이 달린 분자 수준의 공처럼 진동하였다.

물리학과 학생들이라면 스프링에서 관찰되는 이상적인 양자 질량에 익숙할 수 있지만, 이론 모델이 실제 실험에서 정밀하게 구현된 것을 찾을 수 있을 것으로 예상하진 못했었다. 연구진은 강력한 중성자 빔을 이용하여 양자 진동 신호를 확인함으로써 우라늄 니트리드 단결정의 자기 성질을 탐구할 수 있었다. 중성자 산란은 기존의 양자화된 음파 혹은 저주파수에서 발생하는 음자 전이(phonon excitation)를 측정하는데 일반적으로 사용되는 기술이다. 하지만, 이번 실험은 보다 높은 주파수에서 진행되었다.

넓은 각도 영역 제단 분광기 (wide angular-range chopper spectrometer (ARCS))와 고해상도 페르미 제단 분광기(fine-resolution Fermi chopper spectrometer (SEQUOIA))를 이용하여 얻은 데이터는 상이한 양자 상태에서 개별 질소 원자의 진동에 해당하는 에너지 준위를 나타내었다. 연구진은 우라늄 니트리드, 특히 재료에서 자성을 조사하도록 구성된 실험에서 일련의 고에너지 진동 모드가 발견될 것을 예상치 못했었다.

대학 물리 과정에서 양자 조화 진동자에 대해 배우지만, 실제로 자연에서 이러한 정확한 예를 찾을 수 있을 것이라곤 생각치 못했었다고 연구진은 말한다. 우라늄 니트리드는 보다 효율적인 핵발전 반응기의 차세대의 연료로 고려되는 흥미로운 재료이다. 이번에 관찰된 현상은 핵연료로서 재료의 성능과 거동에 대한 가치 있는 통찰력을 제시한다.

[그림]
산란된 중성자 띠는 50 meV의 골에 양자화된 에너지 준위에 해당함.

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