세계 최소 X선 간섭계로 50나노미터 이중 슬릿에서 빛-물질 상호작용 정밀 측정

연구 배경: X선 굴절 측정의 어려움

가시광선과 달리 X선은 물질을 통과할 때 굴절이 극히 미미하게 일어난다. X선의 파장은 가시광선의 약 1,000분의 1 수준으로, 물질 내 원자 간 거리보다도 짧다. 이 때문에 기존 X선 간섭계는 충분한 정밀도를 확보하기가 어려웠다. 그러나 X선 굴절 정보는 X선 위상 대비 이미징을 통한 생물 시료 3차원 구조 분석 등 응용 가치가 높아, 측정 기법 개발이 꾸준히 요구돼 왔다.

장치 설계: 이중 슬릿 기반 나노 간섭계

연구팀은 리처드 파인만이 양자역학의 핵심이라 표현한 이중 슬릿 실험 원리를 X선 영역에 적용했다. 제작된 간섭계는 두 슬릿 사이 간격이 50나노미터로, 연구팀이 알기로는 현존 최소 크기다. 한쪽 슬릿에는 철 동위원소 57Fe 원자를 배치했다. 실험은 프랑스 그르노블 소재 유럽 싱크로트론 방사광 시설(ESRF)에서 수행됐다.

실험 방법: 단일 광자의 양자 중첩 활용

실험의 핵심은 단일 X선 광자를 광원으로 사용한 점이다. 각 광자는 양자역학적 중첩 상태로 두 슬릿을 동시에 통과하며, 57Fe 원자핵과 상호작용한 후 슬릿 뒤편에 간섭 패턴을 형성한다. 연구팀은 이 간섭 패턴의 변화를 분석해 X선 굴절 강도를 정량화하고, 이를 통해 X선 광자와 철 원자핵 간 상호작용 세기를 역산했다.

의미와 한계

이번 성과는 기존 X선 측정에서 주로 다뤄온 광 감쇠(흡수) 데이터로는 접근하기 어려웠던 원자 공명 영역 정보를 굴절 측정으로 추출할 수 있음을 보여준다. 괴팅겐대 팀 잘디트 교수는 다양한 원소에 대한 X선 굴절률의 체계적 측정과 X선용 집적 광학 회로 구현 가능성을 향후 연구 방향으로 제시했다. 다만 현재 실험은 ESRF와 같은 대형 싱크로트론 시설에 의존하며, 소형·범용 시스템으로의 확장 가능성은 추가 연구가 필요하다.