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물리학자들이 전자의 숨겨진 양자 세계를 매핑했습니다
룬드 대학교 에서2025년 2월 17일원자핵물리학 컨셉 아트 과학자들은 1세기 이상 빛이 원자에서 전자를 방출하는 방식을 연구해 왔지만, 이 연구는 한 걸음 더 나아갔습니다. 전자의 속도뿐만 아니라 전체 양자 상태를 측정하는 것입니다. 연구자들은 초단파 고에너지 펄스와 레이저 기술을 사용하여 이러한 전자의 양자적 특성을 전례 없는 세부 사항으로 매핑했습니다. 출처: SciTechDaily.com
새로운 방법을 통해 전자의 완전한 양자적 정체성이 마침내 밝혀져 재료 과학과 양자 응용 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 통찰력을 제공합니다. 과학자들은 처음으로 고에너지 광 펄스를 흡수한 후 원자에서 방출된 전자의 양자 상태를 성공적으로 측정했습니다. 이 획기적인 발견은 스웨덴 룬드 대학의 연구자들이 개발한 새로운 측정 기술로 가능해졌습니다. 그들의 발견은 빛이 물질과 상호 작용하는 방식에 대한 더 깊은 통찰력을 제공합니다.
고에너지 빛으로 전자의 비밀을 풀다 극자외선 또는 X선 범위의 고에너지 빛이 원자나 분자와 상호 작용하면 광전효과라고 알려진 과정에서 전자를 떨어뜨릴 수 있습니다. 방출된 전자와 그 운동 에너지를 측정함으로써 과학자들은 빛에 노출된 원자에 대한 귀중한 정보를 수집할 수 있습니다. 이 원리는 광전자 분광법의 기초를 형성합니다. 방출된 전자, 즉 광전자는 종종 단순한 입자로 취급됩니다. 그러나 실제로는 양자 역학의 원리를 사용하여 설명해야 하는 양자 객체입니다.
그렇게 작은 규모에서 전자는 일상적인 객체처럼 행동하지 않습니다. 입자와 파동과 같은 속성을 모두 나타내므로 동작을 완전히 설명하려면 특별한 양자 규칙이 필요합니다. 전자의 양자 상태 재구성 "광전자의 양자 상태를 측정함으로써, 저희 기술은 '전자가 얼마나 양자적인가'라는 의문을 정확하게 해결할 수 있습니다. 이는 의학에서 뇌를 영상화하는 데 사용되는 CT 스캔과 동일한 아이디어입니다. 즉, 여러 각도에서 해당 물체의 여러 2D 사진을 찍어 복잡한 3D 물체를 재구성합니다."라고 원자 물리학의 준임 강사이자 Nature Photonics 에 현재 게재된 연구의 저자 중 한 명인 데이비드 부스토가 말했습니다 . 이 작업은 초단파 고에너지 광 펄스로 원자를 이온화하여 측정 대상인 3D 물체와 동일한 광전자 양자 상태를 생성한 다음, 서로 다른 색상을 갖는 한 쌍의 레이저 펄스를 사용하여 2D 사진을 찍고 슬라이스별로 양자 상태를 재구성하는 방식으로 수행됩니다.
데이비드 부스토는 "이 기술을 사용하면 헬륨과 아르곤 원자에서 방출되는 전자의 양자 상태를 처음으로 측정할 수 있어 광전자 양자 상태가 방출되는 물질의 유형에 따라 달라진다는 것을 보여주었습니다."라고 말했습니다. 주요 사실: 광자, 광전자 및 광전효과 광자는 " 정상적인" 의미에서 입자가 아닙니다. 힘을 매개하는 기본 입자로 불리는 광자는 빛과 전자기장의 가장 작은 에너지 양자입니다. 광전자는 광자와 충돌했을 때 원자나 분자에서 방출되는 전자입니다.
광전효과는 전자기파(광자)에 노출되었을 때 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 1905년 아인슈타인이 광전효과를 설명하면서 전자기파가 전달하는 에너지는 조사된 물질 전체에 고르게 분포되어야 한다는 고전적 물리학 세계관과 결별했습니다. 따라서 빛의 세기가 증가하면 방출된 전자의 운동 에너지가 높아져야 합니다. 그러나 빛의 세기는 이에 영향을 미치지 않습니다. 광전효과가 가능한지 여부는 빛의 주파수에 따라 결정됩니다. 각 물질에는 전자 방출이 발생하는지 여부를 결정하는 방사선의 차단 주파수가 있습니다. 이러한 연구 결과가 왜 그토록 흥미로운가? "광전 효과는 1세기 전 아인슈타인에 의해 설명되어 양자 역학의 발전에 기초를 마련했습니다.
같은 현상은 카이 지크반에 의해 원자, 분자 및 고체 내부에서 전자가 어떻게 배열되는지 연구하는 데 활용되었습니다." 역설적이게도, 이 기술은 광전자의 속도와 같은 고전적 특성을 측정하는 데만 의존합니다. 이제 카이 지크반이 1981년에 광전자 분광학 노벨상을 수상한 지 40년이 넘은 지금, 마침내 방출된 광전자의 양자 특성을 완전히 특성화할 수 있는 방법이 생겨 광전자 분광학의 잠재력이 확장되었습니다. 특히, 새로운 측정 기술은 그렇지 않으면 얻을 수 없는 양자 정보에 대한 접근을 제공합니다. 이러한 결과를 적용할 수 있는 방법 "우리는 비교적 잘 알려진 헬륨과 아르곤과 같은 간단한 원자에 기술을 적용했습니다. 미래에는 분자 가스, 액체 및 고체를 연구하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 광전자의 양자 특성은 전자를 갑자기 잃은 후 이온화된 대상이 어떻게 반응하는지에 대한 많은 정보를 제공할 수 있습니다.
이 과정을 근본적인 수준에서 이해하면 다양한 연구 분야에 장기적인 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 대기 광화학이나 태양 전지나 식물의 광합성과 같이 빛 에너지를 수집하고 활용하는 시스템인 광 수확 시스템 연구가 있습니다 . " 이 연구의 또 다른 흥미로운 측면은 두 가지 다른 과학 분야를 연결한다는 것입니다. 한편으로는 아토초 과학과 분광학(노벨상 수상자인 앤 루일리에가 진행하고 있는 종류의 연구)이 있고, 다른 한편으로는 양자 정보와 양자 기술이 있습니다. 더 큰 그림: 이 연구가 대중에게 미치는 영향 "이 연구는 진행 중인 두 번째 양자 혁명과 관련이 있습니다. 이 혁명은 개별 양자 객체(이 경우 광전자)를 조작하여 다양한 응용 분야에서 양자 속성의 잠재력을 최대한 활용하는 것을 목표로 합니다.
우리의 양자 상태 토모그래피 기술은 새로운 양자 컴퓨터를 만드는 데 이르지 않겠지만, 광전자의 양자 상태에 대한 지식에 대한 접근성을 제공함으로써 물리학자들이 미래의 응용 분야에서 양자 속성을 최대한 활용할 수 있도록 할 것입니다." 재료 분석의 경계를 넓히다 "광전자의 속도와 방출 방향을 측정함으로써 우리는 재료의 구조에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다. 이는 예를 들어 새로운 재료의 특성을 연구하는 데 필수적입니다. 저희 기술은 광전자의 완전한 양자 상태를 측정함으로써 이전 방법을 넘어설 수 있게 해줍니다. 즉, 기존 광전자 분광법으로는 가능한 것보다 대상에 대한 더 많은 정보를 수집할 수 있습니다. 저희 기술이 전자가 방출된 후 재료에서 발생하는 프로세스를 푸는 데 도움이 되기를 바랍니다."
길을 따라 예상치 못한 발견 "가장 놀라운 점은 우리 기술이 매우 잘 작동했다는 것입니다! 물리학자들은 이미 다른 방법을 사용하여 광전자의 양자 상태를 측정하려고 시도했고, 그 실험은 그것이 매우 어렵다는 것을 보여주었습니다. 모든 것이 장기간에 걸쳐 매우 안정되어야 하지만, 우리는 마침내 이러한 매우 안정적인 조건을 달성했습니다." 핵심 양자 개념의 활용 미시적 규모에서 전자, 원자, 분자는 양자 역학적으로 설명되는 반면, 거시적 규모에서 우리가 일상생활에서 경험하는 물체는 고전 물리학의 법칙을 따릅니다. 원자와 다른 미시 시스템은 일상적인 물체처럼 작동하지 않습니다.
의도적으로 과장해서 말하자면, 그들은 잘 정의된 지점과 잘 정의된 속도로 일반적인 의미에서 존재하지 않는다고 말할 수 있습니다. 알려진 것은 실험실 장비의 출력뿐입니다. 모든 거시적 물체는 양자 역학의 법칙을 따르는 원자와 분자로 구성되어 있기 때문에 거시적 규모에서 양자 효과를 보지 못하는 이유를 물을 수 있습니다. 간단히 말해서, 그 이유는 우리가 많은 양자 물체를 서로 가까이 두면, 그것들이 통제되지 않은 방식으로 서로에게 영향을 미치기 시작하여, 사실상 개별 양자 속성을 상쇄하기 때문입니다. 이 과정을 디코히어런스라고 하며, 양자 컴퓨터와 같은 양자 기술을 개발하기 위해 극복해야 할 핵심 과제 중 하나입니다.
광전 효과 동안 방출된 전자는 조사된 물질에 대한 많은 정보를 담고 있습니다. 광전자의 양자 상태를 측정함으로써, 우리의 기술은 "전자가 얼마나 양자적인가"라는 질문을 정확하게 다룰 수 있습니다. 미래에, 우리는 우리의 기술을 통해 전자의 양자적 속성이 양자에서 고전으로 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 추적할 수 있기를 바랍니다. 새로운 실험 측정 기술의 이름은 KRAKEN이다.
참고 자료: Hugo Laurell, Sizuo Luo, Robin Weissenbilder, Mattias Ammitzböll, Shahnawaz Ahmed, Hugo Söderberg, C. Leon의 "광전자의 양자 상태 측정". M. Petersson, Vénus Poulain, Chen Guo, Christoph Dittel, Daniel Finkelstein-Shapiro, Richard J. Squibb, Raimund Feifel, Mathieu Gisselbrecht, Cord L. Arnold, Andreas Buchleitner, Eva Lindroth, Anton Frisk Kockum, Anne L'Huillier 및 David Busto, 2025년 1월 29일, Nature Photonics . DOI: 10.1038/s41566-024-01607-8
https://scitechdaily.com/physicists-just-mapped-the-hidden-quantum-world-of-electrons/
메모 2502180358 소스1.분석중_【】
복잡한 주제로 장시간 골머리가...
_[2-2,3)*】광자 qpeoms는 입자(*)가 아니다? 그러면 작은 에너지의 양자 qcell(*)의 집합체 nk2.ems이다. 광자는 전자기파(*)로 msbase .nk2 ems고유주파수(*)가 있다. 그러나 mcell.nk2 전자의 방사선 차단 주파수 msbase.nk2.oss와 일치할 때 전자 방출 이혼화가 허용된다.
그래서 '빛의 세기가 증가한다'하여 전자의 운동 에너지 msbase가 갑짜기들 늘어나지 않는 이유이다. msbase 배열만 달라진다. 이혼화된 msoss가 존재해야만 전자방출이 비로소 중성자별의 초고속회전 msbase 패턴 바꾸기 펄서형태로 나타난다. 어허.
_【4】양자 속성은 국지적 희소성의 원리(*) 정의역에 의한 단위성이다.
4-1.)모든 거시적 물체는 양자 역학의 법칙을 따르는 원자와 분자로 구성되어 있기 때문에 거시적 규모에서 양자 효과를 보지 못하는 이유를 물을 수 있다.
간단히 말해서, 그 이유는 우리가 많은 양자 물체를 서로 가까이 두면, 그것들이 통제되지 않은 방식으로 서로에게 영향을 미치기 시작하여, 사실상 개별 양자 속성을 상쇄하기 때문입니다. 이 과정을 디코히어런스라고 하며, 양자 컴퓨터와 같은 양자 기술을 개발하기 위해 극복해야 할 핵심 과제 중 하나이다.
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1.
물리학자들이 전자의 숨겨진 양자 세계를 매핑했다.
과학자들은 1세기 이상 빛이 원자에서 전자를 방출하는 방식을 연구해 왔지만, 이 연구는 한 걸음 더 나아갔다. 전자의 속도뿐만 아니라 전체 양자 상태를 측정하는 것이다. 연구자들은 초단파 고에너지 펄스와 레이저 기술을 사용하여 이러한 전자의 양자적 특성을 전례 없는 세부 사항으로 매핑했다.
새로운 방법을 통해 전자의 완전한 양자적 정체성이 마침내 밝혀져 재료 과학과 양자 응용 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 통찰력을 제공한다.
1-1.과학자들은 처음으로 고에너지 광 펄스를 흡수한 후 원자에서 방출된 전자의 양자 상태를 성공적으로 측정했다. 이 획기적인 발견은 스웨덴 룬드 대학의 연구자들이 개발한 새로운 측정 기술로 가능해졌다. 그들의 발견은 빛이 물질과 상호 작용하는 방식에 대한 더 깊은 통찰력을 제공한다.
1-1.고에너지 빛으로 전자의 비밀을 풀다
[1-1.]극자외선 또는 X선 범위의 고에너지 빛이 원자나 분자와 상호 작용하면 광전효과라고 알려진 과정에서 전자를 떨어뜨릴 수] 있다. 방출된 전자와 그 운동 에너지를 측정함으로써 과학자들은 빛에 노출된 원자에 대한 귀중한 정보를 수집할 수 있다. 이 원리는 광전자 분광법의 기초를 형성한다.
_[1-1.】광전효과를 통해 전자가 매핑된 것들을 떼어낼 수 있었다. 이를 qvix.{ab}의 광전효과를 집합적인 {axb}를 통해 매핑의 분리하면서 생긴다. 고에너지 빛{a}이 원자(ms) 주위에 개별 전자(mcell.b)들을 qvixer.AB로 떨어뜨릴 수 있는 그 운동 에너지는 원자 mcell.msbase의 다양한 정보를 담고 있다.
1-2.)방출된 전자, 즉 광전자는 종종 단순한 입자로 취급된다. 그러나 실제로는 양자 역학의 원리를 사용하여 설명해야 하는 양자 객체이다. 그렇게 작은 규모에서 전자는 일상적인 객체처럼 행동하지 않는다. 입자와 파동과 같은 속성을 모두 나타내므로 동작을 완전히 설명하려면 특별한 양자 규칙이 필요하다.
[2.]전자의 양자 상태 재구성
광전자의 양자 상태를 측정함으로써, 전자가 얼마나 양자적인가'라는 의문을 정확하게 해결할 수 있다. 이는 의학에서 뇌를 영상화하는 데 사용되는 CT 스캔과 동일한 아이디어이다. 즉, 여러 각도에서 해당 물체의 여러 2D 사진을 찍어 복잡한 3D 물체를 재구성한다.
_[2.】전자 mcell.1은 msbase내에 한곳에 위치하지 않는다. 매우 광범위하게 qpeoms 상태로 분포되고 중첩된다. 전자가 하나의 mcell에 위치하여 원자의 특성을 나타내는 것은 qpeoms.nk2규모와 msbase.nk2와 동치로 매핑되었을 때 가능하다. 결국 원자는 독립적으로 존재하는 것도 아니고 독립적으로 측정값을 정의하는 문제도 아니듯이 의학에서 뇌를 영상화하는 데 사용되는 CT 스캔과 동일한 아이디어와 비슷하다. 어허.
2-1.
이 작업은 초단파 고에너지 광 펄스로 원자를 이온화하여 측정 대상인 3D 물체와 동일한 광전자 양자 상태를 생성한 다음, 서로 다른 색상을 갖는 한 쌍의 레이저 펄스를 사용하여 2D 사진을 찍고 슬라이스별로 양자 상태를 재구성하는 방식으로 수행된다.
이 기술을 사용하면 헬륨과 아르곤 원자에서 방출되는 전자의 양자 상태를 처음으로 측정할 수 있어 광전자 양자 상태가 방출되는 물질의 유형에 따라 달라진다는 것을 보여주었다.
2-2.)주요 사실: 광자, 광전자 및 광전효과
광자는 " 정상적인" 의미에서 입자가 아니다. 힘을 매개하는 기본 입자로 불리는 광자는 빛과 전자기장의 가장 작은 에너지 양자이다. 광전자는 광자와 충돌했을 때 원자나 분자에서 방출되는 전자이다.
2-3.)
광전효과는 전자기파(광자)에 노출되었을 때 물질에서 전자가 방출되는 현상입니다. 1905년 아인슈타인이 광전효과를 설명하면서 전자기파가 전달하는 에너지는 조사된 물질 전체에 고르게 분포되어야 한다는 고전적 물리학 세계관과 결별했다. 따라서 빛의 세기가 증가하면 방출된 전자의 운동 에너지가 높아져야 한다. 그러나 빛의 세기는 이에 영향을 미치지 않는다. 광전효과가 가능한지 여부는 빛의 주파수에 따라 결정된다. 각 물질에는 전자 방출이 발생하는지 여부를 결정하는 방사선의 차단 주파수가 있다.
2-4.이러한 연구 결과가 왜 그토록 흥미로운가?
"광전 효과는 1세기 전 아인슈타인에 의해 설명되어 양자 역학의 발전에 기초를 마련했다. 같은 현상은 카이 지크반에 의해 원자, 분자 및 고체 내부에서 전자가 어떻게 배열되는지 연구하는 데 활용되었다.
역설적이게도, 이 기술은 광전자의 속도와 같은 고전적 특성을 측정하는 데만 의존한다. 이제 카이 지크반이 1981년에 광전자 분광학 노벨상을 수상한 지 40년이 넘은 지금, 마침내 방출된 광전자의 양자 특성을 완전히 특성화할 수 있는 방법이 생겨 광전자 분광학의 잠재력이 확장되었다. 특히, 새로운 측정 기술은 그렇지 않으면 얻을 수 없는 양자 정보에 대한 접근을 제공한다.
2-5.이러한 결과를 적용할 수 있는 방법
우리는 비교적 잘 알려진 헬륨과 아르곤과 같은 간단한 원자에 기술을 적용했다. 미래에는 분자 가스, 액체 및 고체를 연구하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 광전자의 양자 특성은 전자를 갑자기 잃은 후 이온화된 대상이 어떻게 반응하는지에 대한 많은 정보를 제공할 수 있다. 이 과정을 근본적인 수준에서 이해하면 다양한 연구 분야에 장기적인 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 대기 광화학이나 태양 전지나 식물의 광합성과 같이 빛 에너지를 수집하고 활용하는 시스템인 광 수확 시스템 연구가 있다.
2-6.
이 연구의 또 다른 흥미로운 측면은 두 가지 다른 과학 분야를 연결한다는 것이다. 한편으로는 아토초 과학과 분광학(노벨상 수상자인 앤 루일리에가 진행하고 있는 종류의 연구)이 있고, 다른 한편으로는 양자 정보와 양자 기술이 있다.
2-7.더 큰 그림: 이 연구가 대중에게 미치는 영향
"이 연구는 진행 중인 두 번째 양자 혁명과 관련이 있다. 이 혁명은 개별 양자 객체(이 경우 광전자)를 조작하여 다양한 응용 분야에서 양자 속성의 잠재력을 최대한 활용하는 것을 목표로 한다. 우리의 양자 상태 토모그래피 기술은 새로운 양자 컴퓨터를 만드는 데 이르지 않겠지만, 광전자의 양자 상태에 대한 지식에 대한 접근성을 제공함으로써 물리학자들이 미래의 응용 분야에서 양자 속성을 최대한 활용할 수 있도록 할 것이다.
2-8.재료 분석의 경계를 넓히다
광전자의 속도와 방출 방향을 측정함으로써 우리는 재료의 구조에 대해 많은 것을 배울 수 있다. 이는 예를 들어 새로운 재료의 특성을 연구하는 데 필수적이다. 이 기술이 광전자의 완전한 양자 상태를 측정함으로써 이전 방법을 넘어설 수 있게 해준다. 즉, 기존 광전자 분광법으로는 가능한 것보다 대상에 대한 더 많은 정보를 수집할 수 있다. 저희 기술이 전자가 방출된 후 재료에서 발생하는 프로세스를 푸는 데 도움이 되기를 바란다.
3.길을 따라 예상치 못한 발견
"가장 놀라운 점은 우리 기술이 매우 잘 작동했다는 것입니다! 물리학자들은 이미 다른 방법을 사용하여 광전자의 양자 상태를 측정하려고 시도했고, 그 실험은 그것이 매우 어렵다는 것을 보여주었습니다. 모든 것이 장기간에 걸쳐 매우 안정되어야 하지만, 우리는 마침내 이러한 매우 안정적인 조건을 달성했습니다."
4.핵심 양자 개념의 활용
미시적 규모에서 전자, 원자, 분자는 양자 역학적으로 설명되는 반면, 거시적 규모에서 우리가 일상생활에서 경험하는 물체는 고전 물리학의 법칙을 따른다. [4]원자와 다른 미시 시스템은 일상적인 물체]처럼 작동하지 않는다. 의도적으로 과장해서 말하자면, 그들은 잘 정의된 지점과 잘 정의된 속도로 일반적인 의미에서 존재하지 않는다고 말할 수 있다. 알려진 것은 [실험실 장비의 출력뿐]이다.
_【4】양자 속성은 국지적 희소성의 원리(*) 정의역에 의한 단위성이다.
4-1.)모든 거시적 물체는 양자 역학의 법칙을 따르는 원자와 분자로 구성되어 있기 때문에 거시적 규모에서 양자 효과를 보지 못하는 이유를 물을 수 있다.
간단히 말해서, 그 이유는 우리가 많은 양자 물체를 서로 가까이 두면, 그것들이 통제되지 않은 방식으로 서로에게 영향을 미치기 시작하여, 사실상 개별 양자 속성을 상쇄하기 때문입니다. 이 과정을 디코히어런스라고 하며, 양자 컴퓨터와 같은 양자 기술을 개발하기 위해 극복해야 할 핵심 과제 중 하나이다.
4-2.
광전 효과 동안 방출된 전자는 조사된 물질에 대한 많은 정보를 담고 있다. 광전자의 양자 상태를 측정함으로써, 우리의 기술은 "전자가 얼마나 양자적인가"라는 질문을 정확하게 다룰 수 있다. 미래에, 우리는 우리의 기술을 통해 전자의 양자적 속성이 양자에서 고전으로 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 추적할 수 있기를 바란다. 새로운 실험 측정 기술의 이름은 KRAKEN이다.
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