나노기술 및 정책 정보

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에너지는 전달, 방출 또는 붕괴와 같은 일련의 과정에 의해 원자 또는 분자 시스템을 통해 흐름.

미국 코네티컷 대학의 연구진은 초고속 레이저를 사용하는 두 헬륨 원자 사이의 거품 매개 향상을 발견함. 원자 사이의 에너지 교환을 측정하려면 거의 상상할 수 없을 정도로 빠른 측정이 필요하다고 연구진은 설명함.

이러한 측정은 이른바 자유 전자 레이저로 이루어지며, 전자가 거의 빛의 속도로 가속된 다음 자석 세트를 사용하여 전자가 파동을 일으켜 짧은 파장의 빛을 방출하게 됨. 초고속 레이저 펄스를 사용하면 프로세스의 시간을 해결하여 어떤 일이 얼마나 빨리 또는 느리게 발생하는지 파악할 수 있음.

실험의 첫 번째 단계는 프로세스를 시작하는 것임. 반응의 빠른 스냅샷을 찍어 반응을 측정하기 위해 시스템을 조사하고 섭동함. 이 경우, 연구진은 먼저 헬륨 나노 방울에 두 개의 기포를 형성하기 시작함. 그런 다음 두 번째 펄스를 사용하여 얼마나 빨리 상호 작용할 수 있는지 확인함.

두 번째 레이저 펄스를 사용하여 연구진은 거품이 상호 작용하는 방식을 측정함. 두 원자를 여기시킨 후 두 개의 거품이 원자 주위에 형성됨. 그러면 원자는 주변 원자나 분자를 밀지 않고도 서로 이동하고 상호 작용할 수 있음.

헬륨은 주기율표에서 가장 단순한 원자 중 하나이기 때문에 헬륨 나노 방울은 모델 시스템으로 사용되었음. 나노 방울 내에 최대 약 백만 개의 헬륨 원자가 있음에도 불구하고 전자 구조는 상대적으로 간단하며 시스템에서 설명할 요소가 더 적기 때문에 상호 작용을 더 쉽게 설명 할 수 있음.

기포 형성과 그에 따른 역학과 함께 연구진은 여기 원자 사이의 에너지 전달 또는 붕괴를 관찰했는데, 이는 이전에 예상했던 것보다 훨씬 더 빠른 속도(400 펨토초)였음. 처음에는 그렇게 빠른 과정을 설명하는 방법에 대해 약간 당황했으나, 연구진은 문제를 더 잘 이해하기 위해 최첨단 시뮬레이션을 수행함.

연구진이 관찰한 과정은 ICD(Interatomic Coulombic Decay)라고하며 원자나 분자가 에너지를 공유하고 전달하는 중요한 수단임. 거품은 프로세스를 향상시켜 환경이 프로세스가 발생하는 속도를 어떻게 바꿀 수 있는지 보여줌. ICD는 조직 내 손상을 유발할 수 있는 저에너지 전자를 생성함으로써 살아있는 조직이 방사선 노출에 반응하는 방식에 중요한 역할을 하기 때문에 다른 유체에서도 유사한 기포가 형성될 가능성이 있음. 따라서 이러한 발견은 생물학적으로 중요함.

본 연구 성과는 Physical Review X ("Ultrafast Resonant Interatomic Coulombic Decay Induced by Quantum Fluid Dynamics")에 게재됨.