어제 세미나에서 제가 1999년 C60 회절 실험이 진공실이나 반도체 제작하는 청정실에서 했을 거라고 했는데, 혹시 싶어 찾아보니까 명시적으로 먼지는 물론이거니와 다른 기체 분자들을 만나지 않도록 진공실에서 하는 것이 중요하다고 언급되어 있습니다. 기체분자를 생각하지 못했네요. 눈에 보이는 먼지는 아주 큰 녀석이지만 사실 기체분자들도 무시할 수 없는 실험인 셈입니다.

실험 셋업을 보면, 판매되는 순도 99.5% 풀러렌(C60)을 900-1000켈빈의 온도로 가열하여 승화시켜 기체상태로 만듭니다. 오븐의 노즐에서 풀러렌 기체가 뿜어져 나오면 정렬 실틈 두 개를 지나가게 합니다. 그 실틈이 0.01 밀리미터이고 폭은 5밀리미터입니다. 두 개의 간격이 1.04미터 떨어져 있습니다. 그러니까 이 정렬(collimating slit)이 장회익 선생님이 [공리 4]에서 강조한 빈-사건과 연결됩니다. 그 앞에는 SINx로 만든 회절격자를 둡니다. 회절격자의 실틈은 50나노미터이고 실틈들은 100나노미터 간격으로 쭉 늘어서 있습니다.

말이 그렇지, 아주 작은 실틈을 50나노미터의 크기로 만드는 것이 여간 힘든 일이 아닐 겁니다. 아마 빈 대학의 차일링거 연구팀의 실험실이 아니라면 엄두도 내기 힘든 정교한 실험일 것 같습니다. 검출장치도 아주 신기하네요.

2019년에 발표된 실험은 2만 5천 돌턴, 즉 양성자보다 약 2만 5천 배 무거운 분자(2천여개의 원자로 이루어짐)에서 양자중첩을 확인했다고 되어 있습니다.

Fein, Y.Y., Geyer, P., Zwick, P. et al. Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa. Nat. Phys. 15, 1242–1245 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0663-9

이 실험에서 사용한 카피차-디랙-탈보트-라우 간섭계(KDTLI)는 아래 논문에 상세하게 나옵니다.

Fein, Y.Y., Geyer, P., Zwick, P. et al. Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa. Nat. Phys. 15, 1242–1245 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0663-9

시지프스님이 링크를 달아 주신 글은 소위 "호환마마보다 무서운 혹세무민"입니다. 그 블로그의 의도가 무엇인지 모르겠지만 과학, 특히 물리학에 대한 지식을 거의 갖고 있지 않은 분이 쓴 글로 판단됩니다.

풀러렌(C60)을 이용하여 회절 패턴을 확인했다는 논문은 아래의 것입니다.

Arndt, M., Nairz, O., Vos-Andreae, J. et al. Wave–particle duality of C60 molecules. Nature 401, 680–682 (1999). https://doi.org/10.1038/44348

위에 "호환마마보다 무서운 혹세무민"이라고 이름붙인 글의 필자는 회절격자(diffraction grating) 실험이란 것이 원래 겹실틈이 아니라 여러 개의 격자들로 하는 실험임을 전혀 모르고 있는 듯 합니다. 전자회절 실험도 그렇게 매우 많은 격자를 가지고 한 실험입니다. 겹실틈 실험은 아주 어려워서 아주 최근에야 실험보고가 되고 있습니다.

https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_grating

https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_diffraction

논문을 읽어보면 풀러렌 실험에서 회절격자는 100나노미터(즉 0.1 마이크로미터) 간격으로 되어 있고, 실험결과는 200 마이크로미터의 길이에 대해 그려져 있습니다. 고전적인 파동이론인 키르히호프 회절이론을 적용한 그래프를 실선으로 그려서 데이터와 비교해 놓은 것도 아주 효과적이었죠.

다만 이러한 간섭무늬가 곧 물질파의 존재를 증명한 것은 아니라는 것이 제가 견지하는 관점입니다.

"파동이면 간섭무늬가 나온다고 해서 간섭무늬가 나오면 곧 파동이라는 결론이 나오는 것은 아니다."라고 요약할 수 있습니다.

덜 중요한 것이긴 하지만, 빈 대학에서 이런 실험을 주도하는 물리학자는 안톤 차일링거라기보다는 마르쿠스 아른트(Markus Arndt)입니다.

"Austro-Nobelpreis" an Quantenphysiker Markus Arndt

첨부파일 : arndt-zeilinger1999_c60.pdf

그리고 1999년에 <네이처>에 실린 실험 정도는 아니지만, 전자회절실험은 대학 실험실에서도 비교적 쉽게 하는 실험입니다.

Electron Diffraction

감사합니다 ! 자연사랑님의 확답을 기다렸습니다 !! (월요일 밤에 올리신 글에 목요일 저녁에나 답글을 다네요 ㅠㅠ) "호환마마보다 무서운 혹세무민" 의 글이라는 확인 도장을 받았네요. ( 코로나 보다 무서운, 코로나보다 더 빨리 번지는, 코로나 보다 끈질긴, 코로나 보다 변신을 잘하는, 등등의 관형적 표현이 전 세계적으로 증가하지 않을까요?)