Quantum regime of nano- and angstrom-gaps studied with terahertz fields

Abstract

본 논문에서는 테라헤르츠 전기장과 나노/옹스트롬 갭 구조물을 이용하여 전자의 터널링현상과 관련된 양자역학적 영역을 실험적으로 접근한 것에 대해 보고한다. 먼저, 두 금속 사이의 거리가 1 나노미터보다 큰 나노갭에 고출력 테라헤르츠 펄스를 입사하여 테라흐르츠 양자플라즈모닉스를 구현하였다. 낮은 주파수의 0.1–1 THz 영역에서는 전자기파에 의해 나타나는 터널링전하의 거시적인 유전 응답이 가시광선이나 근적외선 영역에 해당하는 300–700 THz 보다 1000배 더 높다. 따라서 테라파의 정상화된 투과율이 50% 나 감소하는 거대한 비선형의 광응답을 관찰하였다. 테라헤프츠 전기장이 나노갭 내부에서 순간적으로 5 V/nm까지 증폭되어서 마치 높은 전기장의 기울기에서 원자가 이온화하듯이 전자의 터널링이 일어나게 되었다. 또한, 그래핀-금속의 경계면을 통과하는 터널링전류를 테라헤르츠 펄스에 의해 유도되는 순간적인 전압을 이용하여 직접 측정하는 방법을 구현하였다. 얇은 슬릿을 통과하는 빛에 대한 투과실험이 본질적으로 전기적 임피던스 측정실험과 동일하다는 것에 착안하여, 밀리미터 파장을 지닌 테라파가 투과할 수 있도록 길면서 그 폭은 수 옹스트롬에 불과한 틈에 가해지는 전기장과 이 틈을 가로지르는 터널링전류의 시간변화를 피코초 이하의 단위로 그 위상과 크기를 테라헤르츠 시간 영역 스펙트로스코피를 이용해서 확인하였다. 본 논문에서 소개된 연구는 종래의 직류전자전달연구와 양자플라즈모닉스, 그리고 초고속물리 및 비선형 테라헤르츠 분광학 분야를 한데 묶는 새로운 학문의 기반이 될 것이다.