공중에 띄운 나노입자가 단일 원자와의 충돌을 감지하다

진공 챔버에서 레이저로 띄운 실리카 나노입자가 개별 기체 원자와 분자와의 충돌을 기록할 수 있다고 예일대와 로런스 버클리 국립연구소의 물리학자들이 Physical Review Letters에 보고했다. 이 원리 증명 실험은 이 구가 작은 압력 센서로 쓰일 수 있음을 시사하며, 연구팀의 새로운 중성미자 및 암흑물질 검출기 연구에서 비롯되었다.

배경 충돌이 중요한 이유

물리학자들은 암흑물질 같은 가상의 입자가 입자를 제자리에 붙들기 위해 집중된 레이저 빔을 사용하는 광학 트랩에 잡힌 나노미터 크기의 물체에서 가끔 산란할 때 검출될 수 있다고 제안해 왔다. 또는 나노 물체에 방사성 물질이 들어 있다면, 물체의 반동이 붕괴 생성물의 운동량을 드러낼 수 있다. 어느 접근법이든 피할 수 없는 배경, 즉 입자와 진공 챔버 속 잔류 기체 사이의 충돌을 명확히 파악해야 한다.

"보통 원자가 원자와 충돌하면 그냥 사라집니다. 충격이 너무 커서 트랩에 붙잡아 둘 수 없기 때문입니다"라고 예일대의 유한 쩡(Yu-Han Tseng)은 설명한다. 그는 이것이 원자 집게를 이용한 실험의 수명이 제한되는 주된 이유라고 덧붙였는데, 기체가 계속 붙잡힌 원자와 충돌하기 때문이다.

실험 방식

쩡과 예일대 데이비드 무어(David Moore) 그룹의 동료들은 진공 챔버 안에서 집중된 레이저 빔으로 반지름 50nm의 실리카 나노구를 붙잡았다. 트랩의 초점에서 입자는 용수철에 매달린 질량처럼 앞뒤로 흔들리는 단순 조화 운동을 한다. 연구진은 이어서 서로 다른 기체를 소량 주입했고, 그 원자나 분자가 훨씬 큰 구에 무작위로 부딪혔다.

트랩이 없다면 이런 충돌로 구는 브라운 운동이라는 잘 알려진 효과에 따라 무작위로 떠돌게 되어 추적이 불가능할 것이다. 트랩 안에서는 각 충돌이 구를 떼어내지 않고 규칙적인 진동만 교란했다. 연구팀은 후방 산란된 레이저 빛의 위상을 통해 트랩 레이저 방향의 운동을 관찰했고, 그 교란으로부터 개별 충돌의 충격량을 검출했다.

이들은 크립톤, 제논, 육불화황의 세 가지 기체를 시험했다. 도달할 수 있는 가장 높은 진공에서 시작해 압력을 약 1.5nbar까지 점차 높였는데, 이는 약 1bar인 대기압보다 훨씬 낮다. 각 기체에 대해 일곱 가지 압력에서 데이터를 얻어 개별 충격량의 발생률과 크기를 기록했다. 충격량의 발생률은 압력에 따라 증가했고 기체 분자 운동론이 예측하는 바와 대체로 일치했다.

가능한 활용

"정말 독특한 점은 거시적인 물체로도 매우 정밀한 측정을 할 수 있다는 것이라고 생각합니다"라고 쩡은 말한다. 연구진은 거시적 물체로 개별 충돌을 분해하는 것이 다양한 실험에 유용할 수 있으며, 잠재적으로 미래의 압력 표준이 될 수 있다고 본다. 예일대 동료 클라크 하디(Clarke Hardy)는 누군가 이를 다른 시스템에 통합할 수 있는 실용적인 압력 센서로 만든다면 팀이 매우 기뻐할 것이라고 말한다. 연구 그룹 자신의 목표는 다른 곳에 있다. 하디는 나노구에 방사성 동위원소를 도핑해 그 붕괴를 통해 방출된 중성미자의 운동량을 재구성할 계획이라고 말한다.

취리히의 병행 결과

올해 초 Physical Review A에 발표된 논문의 제1저자인 취리히 연방공대(ETH)의 막심 페르드리아(Maxime Perdriat)와 동료들도 광학 집게 속 나노구에서 단일 원자 충격량을 검출했다. 이들은 제논 원자의 초음속 빔에서 오는 충격량을 챔버로 흘러드는 기체의 열적 충격량과 비교했다. 예일대 연구에 참여하지 않은 페르드리아는 이를 "놀라운 결과"라고 평가했는데, 개별 원자를 분해할 수 있는 영역과 원자가 너무 많아 분해할 수 없는 영역을 구별해 주기 때문이며, 이는 암흑물질과 비활성 중성미자 탐색에 중요하다.

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