기초과학

중국과기대, 화학반응에서 기하 위상 효과의 물리적 본질 규명

발행일 : 2018 / 12 / 19

최근 중국과학기술대학 왕싱안(王興安) 교수와 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 쑨즈강(孫志剛) 연구원이 공동 개발한 세계 최고 각해상도 교차분자빔 이온이미징 장치로 H+HD 반응에서 “기하 위상(geometric phase)” 효과의 물리적 본질을 규명하였다. 해당 연구성과는 “Science”에 온라인으로 게재되었다.

“기하 위상” 효과가 화학반응에 미치는 영향은 이론·물리화학 분야에서 오랜 시간동안 주목받은 주요 과학문제이다. 하지만 실험 및 이론적으로 어려움에 부딪쳐 지금까지 설득할만한 결론을 얻지 못했다. 보른-오펜하이머 근사(born-oppenheimer approximation)는 분자 등 양자 시스템 연구에서 가장 기본적이고 중요한 방법이다. 약 50년 전에 과학계는 보른-오펜하이머 근사 또는 단열 근사(adiabatic approximation) 조건에서 반드시 “기하 위상”을 도입해야만 해당 시스템의 양자역학적 거동을 정확하게 기술할 수 있음을 발견하였다. “기하 위상” 효과는 양자홀효과와 같이 주요 물리시스템에 널리 존재한다.

연구팀은 먼저 임계값 레이저 이온화기술과 이온 속도영상 기술을 독특하게 결합시킨 교차분자빔 반응동역학 연구장치를 독자적으로 개발하였다. 그리고 동 장치를 사용하여 H+HD→H2+D 반응의 완전 양자상태 해상력 산물 속도영상을 성공적으로 획득하였다. 또한 실험을 통해 회전상태 해상력의 H2 산물 전향 각분포 쾌속 진동구조를 관측하였다. 연구팀은 정밀 양자역학 분석을 통해 “기하 위상”효과를 도입한 이론적 계산만이 실험에서 관측한 전향 산란 진동구조를 정확하게 기술할 수 있음을 발견하였다.

해당 연구는 화학반응에서 “기하 위상”의 독특한 작용 및 “기하 위상” 효과의 물리적 본질을 규명하였는데 이는 원뿔형 교차가 광범위하게 존재하는 양자 시스템 연구에 중요한 의미가 있다. 뿐만 아니라 해당 반응시스템이 고에너지 반응시 참신한 반응 메커니즘을 발견하고 검증하였는데 이는 동 시스템의 고에너지 반응 동역학을 근본적으로 이해하는데 중요한 의미가 있다.