POSTECH은 최근 물리학과 김동언 교수 연구팀이 독일 막스 플랑크 핵물리연구소와 공동으로 전자의 ‘터널링’ 과정에서 벌어지는 숨겨진 동역학 현상을 세계 최초로 규명했다고 15일 밝혔다.
슬롯 사이트 터널링은 슬롯 사이트가 자신이 가진 에너지로는 넘을 수 없는 장벽을 마치 지하터널을 파고 지나가듯 통과하는 양자 역학적 현상이다. 이는 반도체 작동 원리나 태양 내부의 핵융합 같은 자연 현상에서 필수적인 과정이지만, 지금까지 터널 입구와 출구에서의 슬롯 사이트 상태는 일부 밝혀졌으나, 터널 내부에서 어떤 일이 일어나는지는 알려지지 않았다.
김 교수팀은 막스플랑크 한국·포스텍 연구소(MPK) 및 독일 막스 플랑크 연구소 케이텔 교수팀과 공동으로 강한 레이저를 원자에 조사해 전자의 터널링 실험을 수행했고, 그 결과 전자가 터널 안에서 원자핵과 다시 부딪히는 ‘터널링 장벽 내 재충돌(Under the Barrier Recollision, UBR)’ 현상을 확인했다.
이 현상은 기존에 전자가 터널 밖으로 빠져나온 이후에야 원자핵과 상호작용할 수 있다고 여겨진 이론을 뒤집는 결과다. 특히 이 과정에서 전자는 에너지를 얻고 원자핵과 강하게 재충돌하며, 일반적인 이온화보다 훨씬 강한 이온화를 유발했다. 이는 ‘프리먼 공명(Freeman Resonance)’ 현상을 강화하는 메커니즘으로 밝혀졌으며, 레이저 세기를 바꾸어도 결과가 일정하게 유지돼 기존 이론으로는 설명할 수 없는 새로운 발견으로 평가된다.
이번 연구는 전자가 터널링하는 ‘순간’의 동역학을 직접 규명한 최초의 연구라는 점에서 큰 의미를 가지며, Physical Review Letters에 게재됐다. 연구진은 “전자의 도금 움직임을 실시간으로 파악할 수 있다는 점에서, 전자 제어 정밀도를 획기적으로 높일 수 있을 것”이라고 기대했다.
김 교수는 “이번 연구를 통해 전자가 원자의 벽을 통과할 때, 그 안에서 어떤 행동을 하는지 실마리를 찾을 수 있었다”며 “이제야 비로소 터널링을 더 깊이 이해하고, 원하는 대로 제어할 수 있는 길이 열렸다”고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다.