갇힌 수소 분자의 양자화

 

물체가 좁은 공간에 갇히면 양자 현상을 보인다. 영국 Nottingham 대학의 Anthony 

Horsewill과 동료 연구진은 작은 탄소 새장안에서 수소 분자들이 파동 같은 특성을 

보이는 현상을 실험을 통하여 보여주었다. 중성자를 이용하여 갇힌 분자의 상태를 

조사한 결과, 이들 연구진은 갇힌 분자의 회전과 선형 운동이 양자화 되었다는 것을 

보여주었다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 1월 9일자에 발표되었

다. 이 연구는 탄소와 비슷한 구조를 가진 물질안에 수소 연료를 저장하는 대체 에너

지 개발에 유용할 것으로 보인다. 

 

드브로이 (de Broglie) 파장 크기와 거의 같은 공간에 입자가 갇히면 양자현상이 관

측이 되기 시작한다. 예를 들면, 원자에 속박된 전자들은 양자화된 에너지 준위를 갖

게 된다. 그리고 심지어 분자들도 충분히 작은 공간에 갇히게 되면 분자의 운동에 연

관된 불연속적인 에너지 상태를 가지게 된다. 수소 분자는 작은 질량과 회전 상태애

서 독특한 양자 구속으로 양자 동역학을 연구하는데 좋은 시스템으로 간주되고 있

다. 과학자들은 다공성 물질과 버킬볼이라고 불리는 축구공 모양의 분자안에서 양자

화된 수소분자의 운동을 관측하였다. 그러나 이런 시스템들은 너무 복잡하거나 측

정 디바이스가 분명한 양자 현상을 관측하기에는 분해능이 충분하기 않다는 문제점

이 있다. 

 

이제 영국 Nottingham 대학의 Anthony Horsewill과 동료 연구진은 에너지 준위가 

띄엄 띄엄 위치한 완전히 양자화된 분자 운동을 예를 보여주었다. 이들 연구진은 최

근 개발된 버키볼안에서 화학 작용이 구멍을 만들어내는 기술을 이용하였다. 연구진

은 이 구멍들 안에 단일 수소 분자들을 집어 넣고 2.5 켈빈으로 냉각 시킨 후 중성자

빔을 입사시켰다. 중성자들은 포획된 수소분자와의 상호작용 결과에 따라 에너지를 

잃으면 속도가 줄어들고 에너지를 얻으면 속도가 증가된다. 중성자 에너지 스펙트럼

에서 수소분자의 에너지 준위 사이의 천이에 해당하는 10에서 20 밀리 전자 볼트 사

이에서 몇 개의 피크들이 보인다. 이 것들은 전자 구조적 천이가 아니며 전체 분자

의 에너지에서 발생하는 에너지 천이에 해당하는 것이다. 

 

이들 에너지 천이의 일부는 수소의 회전 상태들 사이에서 발생한다. 회전 상태들은 

새장이 아닌 분자들에서도 양자화되나 수소의 경우에는 회전 상태는 파울리 배타 원

리에 의한 양자 효과 때문에 더 강하게 두 핵의 스핀과 결합한다. 이런 관계로 보통 

회전 기저 상태와 첫번째 회전 여기 상태 사이에서는 에너지 천이가 금지된다. 그러

나 중성자들이 스핀중의 하나를 반전시킬 수 있으므로 분자의 회전을 유도할 수 있

다. 연구진은 시료의 온도를 변화시킴으로써 스펙트럼의 어떤 피크들이 이런 회전 

천이에 해당하는 지를 확인할 수 있었다. 

 

나머지 피크들은 선형 운동 천이로 확인되었다. 수소 분자가 버키볼 안에서 진동할 

때 수소 분자의 양자 파동은 바이올린 줄의 진동 모드와 비슷한 정상파 패턴을 가지

게 된다. 연구진은 이 것은 질량을 가진 입자의 파동특성을 잘보여주는 예라고 말하

였다. 연구진은 포획된 수소의 파장은 이전에 추정된 새장 내부의 직경과 일치한다

고 말하였다. 버키볼과 탄소 나노튜브는 수소 연료 저장 매체로 사용될 수 있는 가능

성이 있는 물질로써 이런 수소 탄소 상호작용에 대한 연구는 매우 중요하다. 비슷한 

분자 버킬볼 결합을 연구해온 콜럼비아 대학의 Nick Turro는 이들 영국 연구진의 간

단한 시스템이 수소분자의 회전-병진 운동의 행동에 관한 유용한 정보를 제공하여 

주는 연구라고 평하였다. 

 

첨부그림: 열린 버키볼 새장(검은색)안에 포획된 수소분자(노란색). 수소는 이와같

은 작은 공간에 갇하면 파동 특성이 나타나게 된다.

 

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출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-01-11