[re] 물질파에 있어서의 굴절률...
- 글쓴이
- 조범석
- 등록일
- 2002-05-05 11:15
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그래서 발전되었던 것이 전자 광학, 원자 광학, 이온 광학등이 있지요.
광학에 여러가지 optical component가 있습니다. 거울, 렌즈, 슬릿, 프리즘 등...물질파 광학의 초기에 구현되었던 것은 슬릿입니다. 아마도 전자의 더블 슬릿 실험으로 물질파의 존재가 증명되었던 것으로 기억됩니다. 이러한 슬릿을 이용한 실험은 지금도 원자와 분자등에 대하여 계속되고 있습니다. 독일의 모 그룹에서는 He2 분자의 결합 에너지를 슬릿을 지나 얻게 되는 간섭 효과로 측정하였습니다. 그리고 보통 광학에서와는 다르게 슬릿이 작아지면 슬릿을 이루는 원자와 물질파의 원자간의 상호작용으로 단순히 드브로이 파장으로 예측한 결과와는 다른 결과가 얻어진다고 하더군요.
이온이나 전자가 만들어내는 물질파를 모으는 것은 전극을 이용하면 구현할 수 있습니다. TOF(time of flight) 질량 분석기에서 가속시키는 전극이 이러한 이온 렌즈 구실을 하고 있지요. 하지만 원자나 분자에 대한 렌즈의 구현은 레이저가 발명된 후에 가능하였습니다. 집광된 레이저가 원자와 상호작용하여 위치에너지를 만들게 되고, 이 위치에너지의 gradient에 의해서 생기는 힘에의해서 원자가 그 에너지가 가장 작은 레이저 세기가 큰 집광 중심으로 꺽이게 되는 것이죠. 이러한 빛의 힘으로 원자의 외부 운동을 조절하는 실험은 더 나아가 atomic cooling에까지 도달하였고 Bose-Einstein Condensation(BEC)을 만들게 하였습니다. 이 BEC도 물질파 이론으로 설명이 가능합니다. atom이 냉각되어 그 속도가 0로 가까워지면 드브로이 파장은 무한에 가까워지게 됩니다. 이렇게 된 원자들은 그 상에 관계 없이(파장이 무한에 가까워지므로) 보강 간섭을 하게 되는 것입니다. 즉 모든 원자들이 동일한 운동을 하는 것이지요.
분자 광학으로서 나트륨 분자의 간섭이 보여졌으며 1997년에 비공명 레이저장을 이용하여 분자 렌즈가 구현되었고, 제가 속해있는 연구팀에서 그 실험을 다른 방법으로 재현하였습니다. 그 결과를 논문으로 만들기 위해 짱구를 굴려서 분자렌즈의 특성인자(초점거리등)이 레이저의 세기에 따라서 어떻게 달라지는 지를 덧붙여 논문으로 만들수 있었습니다.
보통 광학렌즈에는 색수차라는 것이 있습니다. 파장에 따라 굴절률이 달라지는 겄때문에 색마다 다른 곳에 집광되게 되어서 생기는 현상입니다. 이러한 색수차가 극대화 된것이 프리즘이지요. 위에서 얻어진 렌즈의 일부는 이러한 색수차를 생각하면 프리즘으로 생각할 수 있습니다. 저히 연구팀에서는 이를 이용하여 서로 다른 분자를 분리하는데 성공하였습니다. 하지만 이는 어찌 보면 전에 보고한 결과에 조금 다른 분자를 넣은 것 밖에 되지 않지요. 그래서 논문 투고 곤란...그래서 짱구를 굴리기 시작했죠 다시... 서로 다른 분자가 달리 꺽이는 것은 편극율이 다르기 때문인데 이와 광학에서 대칭되는 것은 무엇인가... 그래서 생각하게 된것이 물질파의 빛에 대한 굴절률입니다. 기초 물리 시간과 광학 청강할때 배운 얕은 광학 지식으로 이러한 물질파의 굴절률을 얻어네는데 성공하였습니다. 그전에 렌즈를 뉴턴 역학으로 설명하였었는데, 물질파의 굴절률을 이용하면 간단한(?) 광학 식으로 전개가 되더군요. 그래서 대단한 것을 해내었다고 혼자 뿌듯해 하고 있었는데...나중에 알고 보니 이미 전체적인 물질파에 대해서 1960년대에 이미 다 정리가 되어 있더군요. 그래도 물리학의 기라성 같은 별들이 정리한 내용을 스스로 유도했다는데 만족했고 아무런 실험적 정황 없이 그러한 식을 유도한 사람들이 존경스러워 지더군요. 이렇게 유도된 굴절률은...n=sqrt(1+potential energy/kinetic energy) 와 같이 주어지는데 원자에 없는 회전이나 진동이 분자 물질파의 굴절률에 어떠한 영향을 미칠지를 곰곰히 생각하는 중입니다.
굴절률과 분리에 관한 결과의 드래프트를 작년 8월에 지도교수에게 제출하였는데 아직까지 submit가 안되고 있군요. 여하튼 아직도 머리를 싸매고 물질파의 성질을 이용하여 여러가지 자연 현상을 기술하려는 사람들이 세계 곳곳에 널려 있답니다. 슈뢰딩거 식만 보면 뜬구름 같은 이야기지만 결국 자연현상이지요.
슈뢰딩거가 그식을 증명했을때 같이 있던 사람이 부인이 아니라 애인이었다는 사실들은 아시는지....
다른 사람들 의견
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소요유
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아 재미있네요. 뭔가 알듯알듯 하면서 머리속에 환히 다가오지는 않네요. 제가 이 분야를 워낙 오랬동안 떠나있어서 그런가 봅니다. 기하광학은 밥먹듯이 접하지만. 좀 생각해보면 재미있을 듯합니다. 전자현미경으로 이해하면 되지요 ?
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소요유
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독서백편 의자현 ? 읽고 또 읽고 있습니다. 점점 밝아 지는 것 같습니다.
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포닥
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전자 현미경과는 달라 보이네요. 전자현미경의 렌즈는 그냥 전자석과 캐패시터로 보시면 됩니다. 패러데이 법칙, 쿨롱 법칙으로 만들어 진것이죠. 물론 멀티 파티클 문제이므로, 실제 만들기는 쉽지 않습니다. 그리고, 그넘의 노이즈... 지금 Oak Ridge National Lab. 에서 새로운 일종의 전자현미경을 설치하기 위해 파워라인을 옮기는 작업을 한다는 얘기를 들은적이 있어요. 무서운 노이즈..... 노이즈는 알고나면 더이상 노이즈가 아니고 시그널이라고 하더군요. 그래서 더 무서운 노이즈....
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소요유
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앗 그렇네요. 렌즈가 다르네요. 노이즈요. 전 항상 노이즈와 싸웁니다. 우리 영역에서는 시그널 투 노이즈 래이쇼가 가장 중요합니다. 왜냐하면 모두 시그널이 매우 약하니까요. 이 비가 3~5만 되도 여한이 없는 경우가 많습니다. 5라면 1/5니 20%에러인데도 말이죠. 가끔은 100~150%에러도 있습니다. 그래도 연구 안하는 것보다는 낫죠.
