수소와 희가스 충돌에서 양자 효과 감지

2023년 6월 5일

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베를린 자유대학교

양자물리학자 크리스티안 코흐(Christiane Koch) 교수가 이끄는 베를린 자유대학교(Freie Universität Berlin) 연구팀은 수소 분자가 헬륨이나 네온과 같은 비활성 기체 원자와 충돌할 때 어떻게 행동하는지 보여주었습니다. 사이언스(Science) 저널에 게재된 기사에서 연구원들은 시뮬레이션을 사용하여 실험 데이터와 양자 물리학의 이론적 모델 사이의 연결을 도출하는 방법을 설명합니다.

이번 연구에는 이론적인 계산뿐만 아니라 TU 도르트문트 대학교와 이스라엘의 와이즈만 과학 연구소에서 수행된 원자 및 분자 실험에서 수집된 데이터가 포함되어 있습니다. 연구팀은 충돌이 양자역학 법칙에 따라 분자의 진동 및 회전 방식을 변화시킨다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 양자 역학 분야의 연구는 오늘날 세계에서 계속 중요성을 얻고 있습니다. 이와 같은 발견은 휴대폰, 텔레비전, 위성 개발 및 의료 진단 기술에 적용될 수 있습니다.

여기서 관찰된 양자 효과는 Feshbach 공명으로 알려져 있습니다. 베를린 자유대학교(Freie Universität Berlin)의 코흐(Koch) 교수는 “충돌 후 짧은 순간 동안 수소 분자와 희가스 원자는 화학 결합을 형성했다가 다시 분리됩니다.”라고 설명합니다.

그러나 비교적 작고 간단한 시스템에 대한 매우 상세한 측정 및 계산에도 불구하고 연구자들은 수소-희가스 충돌의 전체 양자 역학적 특성을 재구성할 수 있기까지는 아직 갈 길이 멀습니다. "이것은 양자 역학의 기본 현상 중 하나 때문입니다. 측정에 있어서는 고전 물리학의 기본 원리를 벗어날 수 없습니다. 이는 딜레마를 야기합니다. 우리는 양자 역학의 특정 현상을 수학적으로 설명할 수 있습니다. 추상적인 용어이지만 이를 완전히 이해하려면 여전히 고전 물리학의 개념을 사용해야 합니다."라고 Koch는 설명합니다.

고전 물리학의 법칙으로 설명할 수 없는 행동 유형을 의미하는 양자 효과는 원자와 분자가 차지하는 위치와 움직이는 속도로 더 이상 충분히 설명할 수 없을 때 나타납니다. "그들은 전파의 건설적이거나 파괴적인 층을 의미하는 간섭과 같은 파동 분산과 관련된 특성을 나타냅니다"라고 Koch는 말합니다. 여기에 양자역학적 물체가 공간적으로 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 서로 즉각적인 영향을 미칠 때 발생하는 얽힘과 같은 다른 현상도 있습니다.

양자 효과는 일반적으로 원자나 분자와 같은 매우 작은 물체의 영역에서 나타나며 이러한 물체가 환경의 영향을 거의 받지 않을 때 나타납니다. 후자는 매우 짧은 시간 동안 또는 절대 영도(-273.15°C)에 가까운 극도로 낮은 온도에서 달성됩니다. "이러한 상황에서 이러한 입자는 소위 양자 상태 중 극히 일부만 사용할 수 있습니다. 시스템은 기본적으로 질서 정연한 방식으로 작동합니다"라고 Koch는 말합니다.

온도가 높을수록 입자에 더 많은 수의 양자 상태가 허용되며, 양자 역학적 효과는 다양한 상태에 걸쳐 통계적 평균으로 분포될 때 균일해지는 경향이 있어 본질적으로 시야에서 사라집니다. 이 상태에서는 시스템이 더 무작위로 작동하며 통계를 사용하여 설명할 수 있습니다. 지금까지 가장 차가운 원자-분자 충돌에서도 이러한 통계적으로 예측 가능한 행동이 나타났습니다. "이로 인해 원자와 분자 사이의 상호 작용에 관해 결론을 내리는 것이 거의 불가능해졌습니다. 즉, 실제 실험 데이터와 이론적 모델을 직접 연결할 수 없다는 의미입니다."라고 Koch는 설명합니다.