독일 연구진, 그래핀 속 전자 움직임 처음으로 영상화

독일 레겐스부르크대와 마르부르크 필리프대 연구진이 그래핀 속 전자의 움직임을 빛의 파동 한 주기 안에서 추적할 수 있는 해상도로 영상화하는 데 성공했습니다. 연구 결과는 학술지 Nature에 실렸습니다.

적외선으로 움직이고 극자외선으로 촬영

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 단일 층 소재입니다. 특정 조건에서 전자가 상대론적 입자처럼 행동해, 다른 물질에서는 관측하기 어려운 현상을 연구하는 데 적합한 환경으로 꼽힙니다.

연구진은 30THz의 강한 적외선 펄스로 전자를 제어된 방식으로 움직이게 한 뒤, 극자외선의 초단 펄스로 그 거동을 기록했습니다. 이렇게 얻은 연속 스냅샷으로 전자 구조의 변화를 확인할 수 있습니다. 연구진은 전자의 이동뿐 아니라 에너지 분포와 운동량의 변화도 함께 볼 수 있다고 설명했습니다.

LZM 터널링을 직접 관측

가장 큰 성과는 란다우-제너-마요라나(LZM) 터널링을 직접 영상화한 것입니다. 강한 전기장 아래에서 전자가 서로 다른 에너지 띠 사이를 넘나드는 양자 현상으로, 빛과 물질의 상호작용을 이해하는 데 중요합니다.

실험에서 전자 분포는 먼저 한 방향으로 이동한 뒤 변형되어 길쭉한 타원 모양이 됐습니다. 시간이 지나자 산란 효과도 나타나 분포가 달라졌습니다. 이 방법은 제1브릴루앙 영역 전체에서 전자 동역학을 관측할 수 있으며, 관측 범위는 기존보다 100배 넘게 넓어졌다고 합니다.

광파 전자공학으로 이어질까

빛이 전자의 움직임에 미치는 영향을 더 잘 이해하면 새로운 전자 및 광전자 소자를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 유망한 방향 중 하나는 정교하게 만든 빛 펄스로 전자 신호와 과정을 제어하는 광파 전자공학입니다. 실현되면 기존 방식의 한계를 훌쩍 넘는 속도로 작동하는 회로도 가능해질 전망입니다.