나노기술 및 정책 정보

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전자는 특정 물질을 떠나 날아가서 측정됨. 일부 물질은 빛을 받으면 전자를 방출함. 이러한 전자를 "광전자"라고 함. 재료 연구에서 전자가 내부 전자 껍질 중 하나에서 먼저 제거되면 원자에 의해 방출될 수 있는 소위 "오저 전자"도 중요한 역할을 함.

오스트리아 빈 공과대학교(Vienna University of Technology) 연구팀이 흑연과 같은 탄소 물질에서 발생할 수 있는 완전히 다른 유형의 전자 방출을 설명하는 데 성공했음. 이 전자 방출은 약 50 년 동안 알려져 왔지만 그 원인은 여전히 불분명함.

많은 연구자들이 이미 이것에 대해 궁금해 했음. 그래파이트와 같이 약한 Van der Waals 힘에 의해서만 결합되는 원자 층으로 구성된 물질이 있음. 그리고 이러한 유형의 흑연은 모두 정확히 동일한 에너지, 즉 3.7 전자볼트를 갖는 매우 특정한 전자를 방출한다는 것이 발견되었음. 알려진 물리적 메커니즘은 이 전자 방출을 설명할 수 없음. 그러나 적어도 측정된 에너지는 어디를 볼 것인지를 알려줌. 만약 이러한 원자적으로 얇은 층이 서로 위에 놓여 있다면, 그 사이에 특정 전자 상태가 형성될 수 있음. 그것이 어떤 지점에서 층을 관통하여 외부로 탈출할 때까지 두 층 사이에서 계속해서 앞뒤로 반사되는 전자로 상상할 수 있음. 이러한 상태의 에너지는 실제로 관찰된 데이터와 잘 맞음. 그래서 사람들은 연관성이 있다고 가정했지만 그것만으로는 설명이 되지 않음. 양자 물리학의 관점에서는 이러한 전이 확률이 너무 낮음.

이를 변경하려면 전자 상태의 내부 대칭이 깨져야함. 이것을 줄넘기처럼 상상할 수 있음. 두 아이가 긴 로프를 잡고 끝점을 위 아래로 흔들면, 실제로 둘 다 일반적으로 로프의 한쪽에서 다른쪽으로 전파되는 파도를 생성함. 그러나 시스템이 대칭이고 두 어린이가 같은 방식으로 행동하면 로프는 단지 위아래로만 움직임. 최대 파동은 항상 같은 위치에 있음. 우리는 왼쪽이나 오른쪽으로 파동의 움직임을 볼 수 없음. 이것을 정상파라고 함. 그러나 예를 들어 어린이 중 한 명이 뒤로 이동하여 대칭이 깨지면 상황이 달라짐. 로프의 역학이 변경되고 진동의 최대 위치가 이동함. 이러한 대칭 파괴는 재료에서도 발생할 수 있음. 전자는 제자리를 떠나 움직이기 시작하며 뒤에 "구멍"이 남음. 이러한 전자-정공 쌍은 물질의 대칭을 방해하므로 전자가 갑자기 두 가지 다른 상태의 특성을 동시에 가질 수 있음. 이러한 방식으로 두 가지 장점이 결합 될 수 있음. 한편으로는 그러한 전자가 많이 있고 다른 한편으로는 검출기에 도달할 확률이 충분히 높음. 완벽하게 대칭적인 시스템에서는 둘 중 하나만 가능함. 양자 역학에 따르면 대칭 굴절로 인해 두 상태가 "병합"(혼합)되기 때문에 양자 역학은 동시에 둘 다 수행 할 수 있음. 어떤 의미에서 물질의 두 층 사이에서 앞뒤로 반사되는 전자와 대칭 파괴 전자 사이의 팀워크임. 그것들을 함께 볼 때만 물질이 정확히 3.7 전자볼트의 에너지를 가진 전자를 방출한다고 설명할 수 있음. 이 연구에서 분석된 흑연 유형과 같은 탄소 재료는 오늘날 중요한 역할을 함. 예를 들어 2D 재료 그래핀은 물론 놀라운 특성을 가진 작은 직경의 탄소 나노 튜브도 있음. 하지만, 이 효과는 매우 다른 재료에서도 발생해야함. 얇은 층이 약한 Van der Waals 힘에 의해 결합될 때마다 이 모든 물질에서 연구팀이 처음으로 제안한 이 매우 특별한 유형의 전자 방출이 중요한 역할을 해야 함.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Letters’ ("Secondary Electron Emission by Plasmon-Induced Symmetry Breaking in Highly Oriented Pyrolytic Graphite") 지에 게재됨