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물질과 빛의 상호 작용은 분광학의 기초이며 물리학과 화학의 핵심에 놓여있는 기술이다. 적외선에서부터 X 선에 이르기까지 광범위한 파장이 진동, 전자 전이 및 기타 과정을 자극하여 원자와 분자의 세계를 탐색한다. 그러나, 많이 사용되지 않는 형태의 광은 테라 헤르츠 (THz) 영역이다. 적외선과 마이크로파 사이의 전자기 스펙트럼에 놓여있는 테라 헤르츠 방사는 분자 진동을 자극하는 올바른 주파수 (약 10^12 Hz)를 가지고 있다. 하지만, 장파장 (수백 마이크로 미터)은 일반적인 분자 크기의 약 100,000 배이며, 기존의 광학으로 단일 분자 위에 THz 빔을 집중시키는 것은 불가능하다. 분자의 대규모 앙상블만 연구할 수 있다. 최근 도쿄대 산업 기술 연구소 (IIS)가 이끄는 연구팀이 이 문제를 해결할 방법을 찾았다. 네이처 포토닉스 (Nature Photonics, 'Terahertz dynamics of electron–vibron coupling in single molecules with tunable electrostatic potential') 연구에서, 그들은 THz 복사가 실제로 광선을 집중시키는 고전적인 회절 한계를 극복하여 개별 분자의 움직임을 감지할 수 있음을 보여 주었다. 실제로 이 방법은 단일 전자의 터널링을 측정할 만큼 충분히 민감하다. IIS팀은 단일 분자 트랜지스터로 알려진 나노 스케일 디자인을 선보였다. 두 개의 인접한 금속 전극인 트랜지스터의 소스와 드레인은 '나비 넥타이' 모양의 얇은 실리콘 웨이퍼 위에 만들어 진다. 그런 다음 단일 분자 (이 경우 C60, 풀러렌)가 소스와 드레인 사이의 나노 미터 이하의 간격에 증착된다. 전극은 격리된 풀러렌에 THz 빔을 단단히 집속시키는 안테나 역할을 한다. 풀러렌 (fullerenes)은 집중된 THz 복사선을 흡수하여 질량 중심 부근에서 진동하게 만든다. 초고속 분자 진동은 고유의 전도성 위에 트랜지스터의 전류를 높인다. 이 전류 변화는 매우 작지만 (femto-amp (fA) 정도), 분자를 트랩하는데 사용되는 동일한 전극으로 정밀하게 측정할 수 있다. 이 방법으로 약 0.5 및 1 THz에서 두 개의 진동 피크가 그려졌다. 사실, 측정은 단지 하나의 전자를 더하거나 뺄 때 발생하는 흡수 피크의 미세한 분열을 측정할 만큼 민감하다. C60이 금속 표면에서 진동할 때, 진동 양자 (바이브론, vibron)는 금속 전극의 전자에 의해 흡수될 수 있다. 따라서 자극을 받아 전자는 C60 분자로 터널링된다. 그 결과 음으로 하전된 C60분자는 중성 C60보다 약간 낮은 주파수에서 진동하여 다른 주파수의 THz 복사를 흡수한다. 터널링을 엿볼 수 있을 뿐만 아니라, THz 광자를 약하게 흡수하는 분자에서 전자 및 진동 정보를 얻는 실용적인 방법을 보여준다. 이것은 가시광 및 X 선 분광법을 보완하는 개발되지 않은 방법인 THz 분광학의 더 넓은 사용을 가능하게 할 수 있으며 나노 전자 및 양자 컴퓨팅과 매우 관련이 있다. |
