분광학 기술이 나노 규모의 음파를 보여준다
Synopsis: Spectroscopy Technique Reveals Nanoscale Acoustic Waves

극자외선 산란을 이용한 이미징은 광학 펄스가 이전에는 달성하기 어려웠던 스펙트럼으로 표면 들뜸을 생성할 수 있음을 보여준다.

표면 음파(SAW)는 연못의 물결처럼 고체 물질의 표면을 따라 전파된다. 수백 킬로미터의 파장을 가진 SAW는 지진에 의해 생성되는 반면, 마이크로미터 규모의 파장을 가진 SAW는 레이저에 의해 들뜰 수 있다. 이탈리아 Elettra Sincrotrone Trieste에 있는 자유 전자 레이저 방사(FERMI) 시설의 Flavio Capotondi와 그의 동료들은 나노미터 파장의 SAW를 들뜨게 하고 감지하는 간단한 레이저 기반 기술을 시연했다. 그들은 이 연구가 다른 접근 방식으로는 접근할 수 없었던 파장 범위에서 재료의 결정 격자 역학을 조사할 수 있게 해줄 것이라고 말한다.

레이저로 생성된 SAW는 일반적으로 레이저 얼룩점 크기와 대략 동일한 파장을 가지며, 보통 수십에서 수백 마이크로미터에 이른다. 더 짧은 파장의 SAW는 여러 간섭 빔을 사용하여 들뜨게 될 수 있지만, 이러한 방식은 기술적으로 어렵고 스펙트럼 범위가 좁은 SAW로 제한되는 경우가 많다. Capotondi와 동료들은 금속 또는 반도체 박막에 단일 광학 “펌프” 레이저에서 나오는 펨토초 펄스를 쪼이는 간단한 설정을 사용했다. 그런 다음 동일한 얼룩점을 자유 전자 레이저의 극자외선(EUV) 펨토초 “탐사” 펄스로 표적화했다. CCD 검출기가 산란된 EUV 빛을 기록했다.

연구자들은 산란된 EUV 방사선에서 60 nm에 달하는 짧은 파장을 포함한 넓은 스펙트럼 SAW의 펌프 빔에 의한 들뜸을 나타내는 줄무늬를 관찰한 것에 놀랐다. 그들은 쪼여진 박막이 단파장 SAW를 만들기 위해 두 가지 특성을 가져야 한다는 것을 발견했다. 첫째, 펌프 빔에서 에너지를 흡수해야 했고, 둘째, 펌프 빔의 표면은 어느 정도 거칠어야 했다. Capotondi는 겉보기에는 매끄러운 소재에서도 필요한 거칠기가 존재한다고 말한다. 이 기술을 책상에 올려둘 수 있는 크기의 EUV 소스를 사용하여 시연할 수 있다면 많은 연구 분야에 도움이 될 수 있을 것이다.

Time-Domain Extreme-Ultraviolet Diffuse Scattering Spectroscopy of Nanoscale Surface Phonons, F. Capotondi, A. A. Maznev, F. Bencivenga, S. Bonetti, D. Engel, D. Fainozzi, D. Fausti, L. Foglia, C. Gutt, N. Jaouen, D. Ksenzov, C. Masciovecchio, Keith A. Nelson, I. Nikolov, M. Pancaldi, E. Pedersoli, B. Pfau, L. Raimondi, F. Romanelli, R. Totani and M. Trigo, Phys. Rev. Lett. 135, 266101 (2025), Published December 24, 2025.

분자의 양자 그림자 보기
Synopsis: Seeing a Molecule’s Quantum Shadow

광학 기술은 분자가 작은 헬륨 방울에 넣어질 때 분자 파동 함수의 공간적 범위를 보여준다.

한 세기 전, 물리학자들은 입자가 파동 함수로 설명되는 파동처럼 작용할 수 있다는 것을 보여주었다. 파동 함수의 공간적 범위는 입자의 질량과 환경에 따라 달라진다. 지금 중국 East China Normal University의 Wenbin Zhang과 그의 동료들은 초유체 헬륨 나노 방울에 갇힌 단일 분자에 대한 파동 함수의 의존성을 밝히는 광학 방법을 개발했다. 이 접근 방식은 과학자들이 제한된 분자에 대한 실험을 해석하고 이러한 입자를 활용하는 나노 규모의 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있다.

Zhang과 그의 동료들은 수소 또는 더 무거운 사촌인 중수소의 개별 분자를 사용했다. 그들은 각 분자를 2 nm 크기의 초유체 헬륨 나노 방울에 가두었다. 이 방울들의 온도는 그들의 공간적 범위가 분자의 파동 함수의 범위와 비슷하다는 것을 뜻했다. 연구자들은 레이저를 사용하여 각 분자에서 하나의 전자를 떼어 냈다. 분출된 전자는 방울을 통과하여 각 전자의 운동량을 기록하는 검출기에 부딪혔다. 마지막으로, 연구팀은 각 분자 유형별로 이러한 운동량 분포에서 형성된 무늬를 분석했다.

중수소 분자의 경우 이러한 무늬가 상당히 흐려져 전자가 검출기로 이동하는 동안 방울의 원자에서 자주 산란된다는 것을 시사한다. 이 발견은 이 무거운 분자들의 파동 함수가 방울 크기인 2 nm보다 작다는 것을 보여주었다. 수소 분자의 경우 무늬가 명확하고 선명하여 전자가 최소한의 산란으로 물방울을 빠져나갔음을 시사한다. 이 결과는 이 가벼운 분자들의 파동 함수가 약 2 nm일 때만 가능할 것이다.

관련 연구에서 Zhang과 그의 동료들은 이러한 방울이 갇힌 수소 분자의 기본 반응에 어떻게 영향을 미치는지 탐구했다.

Localization and Delocalization of a Single Molecule in a Helium Nanodroplet, Zhengjun Ye, Haomai Hou, Linqian Zeng, Lianrong Zhou, Zhejun Jiang, Menghang Shi, Chenxu Lu, Shengzhe Pan, Ruolin Gong, Peifen Lu, Hongcheng Ni, Wenbin Zhang, Feng He and Jian Wu, Phys. Rev. Lett. 135, 213202 (2025), Published November 18, 2025.

나노 결정에서 큰 변형 측정하기
Synopsis: Measuring Large Strains in a Nanocrystal

연구자들은 기존 방법으로는 감당하기 어려울 정도로 큰 격자 찌그러짐을 측정하는 기술을 시연했다.

결정질 나노물질의 기능적 특성은 격자 변형과 밀접하게 관련되어 있다. 이 변형의 측정은 시료를 통해 결맞는 X선 빔을 보낼 때 얻은 회절 무늬에 미치는 영향 즉 Bragg 결맞는 회절 이미징(BCDI)이라는 기법을 통해 수행할 수 있다. 안타깝게도 BCDI는 큰 변형에 대해 신뢰할 수 없게 된다. 이제 프랑스 European Synchrotron Radiation Facility의 Jiangtao Zhao와 동료들은 변형된 기술인 Bragg 결맞는 변조 이미징(BCMI)을 시연했다. 이 기술은 변형이 너무 커서 기존의 BCDI에 적합하지 않을 때도 성공할 수 있다.

BCDI에서는 나노 결정이 작은 각도로 증가하며 회전함에 따라 수백 개의 회절 무늬가 순차적으로 얻어진다. 격자 변형은 투과된 X선의 위상을 변화시켜 회절 무늬를 바꾼다. 반복 알고리즘은 각각 시료를 통과하는 2D 얇은 조각을 구성하는 이러한 무늬를 결합하여 격자 변형을 3D로 표현한다. 그러나 위상 변화가 완벽한 격자에 대한 단일 격자 간격 변화와 동일한 2π보다 크면, 변형-재구성 문제는 수학적으로 유효한 많은 해를 가지며, 알고리즘이 올바른 해를 찾지 못할 수 있다.

BCMI는 나노 결정의 몇 밀리미터 아래 빔에 무늬 형태의 파면 변조기를 넣어 이러한 모호성을 해소한다. 변조기는 회절된 빔에 알려진 공간적으로 변화하는 위상 변화를 각인시켜, 가짜 해답을 배제하는 추가적인 간섭을 일으킨다. Zhao와 동료들은 백금 나노결정에 그들의 방법을 적용하여 BCMI가 약하게 변형된 시료와 강하게 변형된 시료 모두에 대해 신뢰성 있게 고유한 유효 재구성을 생성한다는 것을 보여주었다. 그들은 이제 이 기술이 나노 물질의 변형 공학에 더 널리 사용될 수 있도록 사용자 친화성을 향상시킬 계획이다.

Bragg Coherent Modulation Imaging of Highly Strained Nanocrystals, Jiangtao Zhao, Ewen Bellec, Marie-Ingrid Richard, Linus Pithan, Ivan A. Vartanyants, Fucai Zhang, Tobias Schulli and Steven J. Leake, Phys. Rev. Lett. 135, 256101 (2025), Published December 18, 2025.

실용적인 양자 네트워크를 향한 발걸음
Synopsis: Step Toward Practical Quantum Networks

새로운 전략은 양자 통신 네트워크의 효율성과 신뢰성을 모두 향상시킨다.

양자 네트워크는 일반적으로 정보를 전달하기 위해 얽힌 광자에 의존하지만, 불가피한 광자 손실로 인해 통신 오류가 발생하기 쉽다. 수신 마디가 얽힌 광자가 도착할 때마다 예고라는 신호를 보내면 이러한 오류를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 신호를 기다리며 실패한 전송을 반복하면 통신 속도가 크게 느려진다. 이제 독일 Max Planck Institute 양자 광학 연구소의 Gianvito Chiarella와 그의 동료들은 수신 마디 대신 송신 마디에서 신호를 생성하여 문제를 완화하는 방법을 보여주었다.

일반적인 양자 네트워크에서는 각 마디가 원자에 정보를 저장하고, 다음 마디로 이동하는 광자와 원자를 얽어 마디 간의 연결을 설정한다. 연구자들은 송신 마디에서 이러한 얽힘 생성을 알리는 것이 수신 마디에서 광자 도착을 알리는 것보다 세 가지 주요 장점이 있다는 것을 깨달았다. 첫째, 송신 마디는 실패한 얽힘 시도에 즉시 반응하여 네트워크 응답을 기다리는 긴 대기 시간을 없앨 수 있다. 둘째, 예고가 국부적으로 생성되기 때문에 다른 마디로 가는 도중 광자의 손실에 영향을 받지 않는다. 그리고 셋째, 신호는 얽힘이 생성된 시점에 대한 정보를 제공하여 수신 마디가 실제로 얽힌 광자를 더 잘 식별할 수 있도록 한다.

연구팀의 접근 방식에 따르면, 각 송신 마디는 두 개의 교차된 광섬유 공동의 중심에 갇힌 초저온 루비듐 원자를 포함하고 있다. 레이저 펄스에 의해 들떠진 후, 각 원자는 붕괴하여 두 개의 공동에 각각 하나의 광자를 방출한다. 이 공동들은 광자가 원자와 얽혀서 수신 마디로 이동하는 동안, 다른 하나는 얽힘의 생성을 알리는 방식으로 광자를 전달한다. 연구자들은 그들의 예고 기술이 장거리 양자 통신의 범위를 확장하거나 신뢰성을 높이는 데 어떻게 사용될 수 있는지 강조한다.

Source of Heralded Atom-Photon Entanglement for Quantum Networking, Gianvito Chiarella, Tobias Frank, Leart Zuka, Pau Farrera and Gerhard Rempe, Phys. Rev. Lett. 135, 240802 (2025), Published December 10, 2025.