'물리학 109년 난제' 풀었다…미시세계 변화, 거시세계에 전달되는 과정 규명
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회전하는 물체에서 물리량인 각운동량이 일정하게 유지되는 '각운동량 보존 법칙'은 물리현상의 근본적인 원리 중 하나지만 그동안 양자역학을 따르는 미시세계에서 우리가 보고 느끼는 거시세계로 각운동량이 어떻게 보존되어 전달되는지는 정확히 밝혀지지 않았다. 국내 연구팀이 미시세계 입자의 변화가 거시세계 물체의 변화로 이어지는 과정을 직접 관찰하는 데 세계 최초로 성공했다.
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1915년 물리학자 앨버트 아인슈타인과 반더르 요하네스 더 하스는 미시세계에서 거시세계로 각운동량이 보존되며 전달된다는 사실을 실험적으로 확인했다. 스핀은 미시세계에서 입자의 고유한 각운동량을 의미하며 방향성을 띤다. 자성을 띤 물질 내에 무작위 방향으로 있던 스핀 방향이 정렬되면 스핀의 각운동량을 보존하기 위해 거시세계의 자성 물체가 회전하는 현상이 '아인슈타인-더 하스 효과'다.
측정 기술의 한계로 아인슈타인-더 하스 효과가 발생하는 정확한 원리는 100년 넘게 밝혀지지 않았다. 2022년 독일 콘스탄츠대 연구팀이 고체에서 스핀이 고체가 이룬 격자의 집단적인 움직임을 입자처럼 표현한 '포논(phonon)'에 각운동량을 전달한다는 사실을 밝혀냈다. 이때 각운동량을 전달받은 포논인 '카이랄 포논'이 미시세계와 거시세계를 이어주는 각운동량 전달 매개체로 여겨졌다.
하지만 카이랄 포논이 생성되는 시간은 수 피코초(ps), 아인슈타인-더 하스 효과가 발생하는 시간은 수 밀리초(ms)다. 피코초는 1조분의 1초, 밀리초는 1000분의 1초로 두 현상 사이에 시간적 차이가 매우 커 그사이에 어떤 일이 일어나는지는 알 수 없었다.
연구팀은 먼저 자성 물질 루테륨산 스트론튬(SrRuO3)과 비자성 물질 타이타늄산 스트론튬(SrTiO3)을 결합한 격자 형태의 구조물을 만들었다. 자성 물질인 SrRuO3에 높은 에너지를 가진 빛을 조사하자 스핀이 정렬되며 물질의 자성이 바뀌고 열에너지를 가진 카이랄 열포논이 생성됐다. 카이랄 열포논은 비자성 물질인 SrTiO3으로 전달돼 거시세계 물체가 회전할 수 있도록 하는 자기적인 변화를 일으켰다.
연구팀은 물질의 자성 특성을 펨토초(fs, 1000조분의 1초) 단위로 추적할 수 있는 초강력 레이저를 활용해 전체 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다. 고체 입자의 스핀 변화로 생긴 각운동량 변화가 카이랄 열포논을 통해 인접한 물질로 전달되며 물체의 회전이 발생하기 전까지 일어나는 과정을 실험적으로 확인한 것이다.
이종석 교수는 "포논이 자기 수송에 직접 기여할 수 있음을 입증하는 결과"라며 "스핀 공학과 포논 공학의 접점이 존재한다는 가능성을 보여준다"고 말했다. 이어 "자기 및 열 기능성이 결합한 다기능성 나노 소자 개발에 대한 중요한 디딤돌을 제시했다"고 평가했다.
참 쉽죠?
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마스터재다이님의 댓글
neutro님의 댓글
--8<--
미시 각운동과 거시 각운동의 표현이 다르다는 것은, 이들이 각각 다루는 물리적 현상이 서로 다른 규모에서 발생하기 때문입니다. 이 차이를 이해하기 위해서는 미시세계와 거시세계에서 각운동량이 어떻게 정의되고 측정되는지를 살펴볼 필요가 있습니다.
### 미시 각운동 (Microscopic Angular Momentum)
미시 각운동은 주로 원자나 아원자 입자 수준에서의 각운동량을 의미합니다. 여기서 중요한 개념은 스핀(spin)과 궤도 각운동량(orbital angular momentum)입니다.
- **스핀 (Spin):** 입자의 고유한 각운동량입니다. 예를 들어 전자는 스핀이라는 고유한 각운동량을 가지며, 이는 입자의 내부 성질에 해당합니다. 스핀은 양자역학적 특성으로, 양자수로 표현되며 특정한 정수나 반정수 값을 가집니다.
- **궤도 각운동량 (Orbital Angular Momentum):** 입자가 어떤 중심 주위를 도는 운동에서 발생하는 각운동량입니다. 예를 들어, 전자가 원자핵 주위를 도는 운동에서 발생하는 각운동량이 이에 해당합니다. 이는 고전적인 각운동량과 비슷하게, 운동량과 위치 벡터의 외적(cross product)으로 표현됩니다.
### 거시 각운동 (Macroscopic Angular Momentum)
거시 각운동은 우리가 일상에서 관찰할 수 있는 물체들의 회전 운동에서 발생하는 각운동량입니다. 이는 다음과 같은 형태로 나타납니다:
- **고전적 각운동량:** 회전하는 물체의 질량, 속도, 회전 반경에 의해 결정됩니다. 이는 다음과 같은 식으로 표현됩니다:
\[
L = I \omega
\]
여기서 \( L \)은 각운동량, \( I \)는 관성 모멘트, \( \omega \)는 각속도입니다.
### 연결 고리의 필요성
미시 각운동과 거시 각운동은 다룰 수 있는 규모와 성질이 다르기 때문에, 이를 연결하기 위해서는 매개체가 필요합니다. 그 이유는 다음과 같습니다:
1. **스케일 차이:** 미시세계에서 발생하는 변화는 매우 짧은 시간과 작은 공간에서 일어납니다. 반면, 거시세계의 변화는 상대적으로 긴 시간과 큰 공간에서 발생합니다. 예를 들어, 전자의 스핀 변화는 피코초(ps) 단위로 발생할 수 있지만, 거시적 물체의 회전 변화는 밀리초(ms) 단위로 발생합니다.
2. **상호작용 방식:** 미시세계의 입자들은 양자역학적 법칙에 따라 움직이며, 이들은 확률적이고 불연속적인 성질을 가집니다. 반면, 거시세계의 물체들은 고전역학적 법칙에 따라 움직이며, 연속적이고 결정론적인 성질을 가집니다.
3. **매개체의 필요성:** 미시세계와 거시세계를 연결하기 위해서는 이 두 스케일 사이에서 각운동량을 전달하는 매개체가 필요합니다. 이번 연구에서는 '카이랄 포논'이 이러한 매개체로서 역할을 할 수 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 카이랄 포논은 스핀에서 발생한 각운동량을 전달받아 인접한 물질로 전달함으로써, 미시적 변화가 거시적 변화를 유도하는 역할을 합니다.
### 결론
미시 각운동과 거시 각운동은 각각 다른 스케일과 법칙에 의해 지배되기 때문에, 이 둘을 연결하는 매개체의 역할이 중요합니다. 이번 연구는 카이랄 포논이라는 매개체를 통해 미시세계의 스핀 변화가 거시세계의 물체 회전으로 어떻게 이어지는지를 실험적으로 확인한 것으로, 이는 물리학의 기본 원리를 더 깊이 이해하는 데 중요한 기초가 됩니다.
6K2KNI님의 댓글
누구보다 극혐했지만 누구보다 진심이었다는 건가요 ㅋ
bigegg님의 댓글
지구가 공전하는 각 운동량과 지국내에 구서원소들이 먼 관계래요 ㅡㅡㄱ
아 몰갔습니다.
엉클머리님의 댓글
공부할까님의 댓글
우주당님의 댓글
https://physics.gist.ac.kr/news-events/research_highlights_news/이종석-교수-연구팀-물리학-109년-난제풀어-미시-거시/
엔뜨님의 댓글
”네, 아이들에게 설명하듯이 쉽게 다시 설명해 드리겠습니다.
여러분, 우리가 살고 있는 세상에는 아주 작은 세상과 우리가 볼 수 있는 큰 세상이 있어요. 과학자들은 오랫동안 이 두 세상이 어떻게 연결되는지 궁금해했답니다.
우리가 볼 수 없는 아주 작은 세상에서는 '스핀'이라는 작은 팽이 같은 게 있어요. 이 스핀들이 모여서 우리가 볼 수 있는 큰 물건을 움직이게 만든다는 걸 알았지만, 어떻게 그렇게 되는지는 몰랐어요.
그런데 우리나라 과학자들이 드디어 그 비밀을 풀어냈어요! 그들은 특별한 도구를 만들어서 아주 작은 스핀들이 어떻게 큰 물건을 움직이게 하는지 직접 볼 수 있었답니다.
스핀들이 먼저 변하면, 그 변화가 '카이랄 포논'이라는 특별한 파동을 만들어내요. 이 파동이 마치 릴레이 경주에서 바통을 넘겨주는 것처럼 움직임을 전달해서 결국 우리가 볼 수 있는 큰 물건을 돌게 만드는 거예요.
이 발견은 정말 대단한 거예요. 왜냐하면 100년이 넘도록 과학자들이 풀지 못했던 수수께끼를 우리나라 과학자들이 풀어냈기 때문이에요. 이제 이 지식을 이용해서 더 좋은 기계들을 만들 수 있게 될 거예요.
과학은 이렇게 우리가 모르는 것들을 하나씩 알아가는 거랍니다. 여러분도 언젠가 이런 큰 발견을 할 수 있을지도 몰라요!“
랍니다… 여전히 모르겠어요. ㅋㅋㅋ
셀빅아이님의 댓글
대단하네요. (잘 모르긴 합니다.;)