자유 전자 이용한 획기적 홀로그래피… 빛 파장 한계 넘어 나노스케일 물체 시각화

전자-빛 상호작용으로 나노미터·아토초 정밀도 달성

홀로그램 개념은 1948년 발견됐지만, 적절한 광원인 레이저가 1960년 발명될 때까지 과학자들은 홀로그램을 만들 수 없었습니다. 이후 홀로그래피는 디스플레이와 과학 영상 분야에서 급속히 확장됐습니다.

광학 홀로그래피는 이제 거시적 물질 3D 이미징과 보안 응용에 널리 쓰입니다. 하지만 이 방법의 공간 분해능은 빛 파장(1마이크로미터)으로 제한됩니다. 따라서 더 작은(나노스케일) 물체 이미징에는 사용할 수 없습니다.

최근 스위스 연방공과대학 연구진이 빛이 파장 한계(나노미터 규모) 너머에서 어떻게 행동하는지 관찰하는 기술을 개발했습니다. 이들은 기이한 사진 매체 — 자유롭게 전파되는 전자 — 를 사용했습니다.

빛과 자유 전자의 방향은 중요한 매개변수입니다. 기존 사진과 달리 빛의 위상에 민감하기 때문입니다. 빛과 상호작용 후 전자는 다른 에너지를 가진 중첩 상태에 존재합니다.

참고: Science Advances | DOI:10.1126/sciadv.aav8358 | EPFL

이 전자가 또 다른 레이저 펄스와 상호작용하면, 두 펄스 간 최소 지연에 기반해 상태가 급격히 변하며 매우 다른 에너지 분포를 보입니다. 연구자들은 에너지 분포 지도를 만들어 주어진 순간 빛 위치를 정확히 파악합니다.

자유 전파 전자가 빛과 상호작용해 상태 변화 | 연구진 제공

사실 이들은 이 물리적 원리를 사용해 나노구조에서 빛 파동이 전파되는 실시간 영상을 공간·시간 최고 분해능으로 만들었습니다.

전자-참조 빔과 전자-이미징 빔을 에너지적으로 분리하기 위해 연구자들은 전자-빛 상호작용의 양자적 특성을 활용했습니다. 이는 빛 펄스를 사용해 전자 파동 함수에 데이터를 암호화할 수 있게 합니다. 초고속 투과 전자 현미경으로 데이터를 매핑할 수 있습니다.

전반적으로 이 새 기술은 2가지 주요 장점이 있습니다.

이 접근법은 기존 어떤 기술보다 최고 공간 분해능을 제공합니다. 지금까지 기술은 자유 전파 광자를 사용하는 현미경 광학 기기로 제한됐습니다.

이것은 광학 장비를 집적회로에 통합·소형화하는 첫걸음입니다. 이 연구는 광자 컴퓨터 나노입자와 원자에서 빛이 어떻게 행동하는지 더 잘 이해하는 가능성도 엽니다.

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