양자도약

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 닐스 보어의 양자 도약 이론
- 2.2. 양자 도약의 관측
3. 이론
- 3.1. 전자의 불연속적 거동과 양자 도약
4. 최근 연구 동향
5. 경제학에서의 의미
참조

1. 개요

양자 도약은 원자 내 전자가 특정 에너지 준위 사이를 불연속적으로 이동하는 현상을 의미한다. 1913년 닐스 보어가 처음 이론화했으며, 이후 프랑크-헤르츠 실험을 통해 원자의 양자화된 에너지 상태가 실험적으로 증명되었다. 1975년 한스 데멜트가 양자 도약의 관측 가능성을 예측했고, 1986년 처음으로 관측되었다. 최근 연구에서는 양자 도약의 진화가 연속적이고 가역적일 수 있음이 밝혀졌으며, 경제학에서는 혁신적인 경영을 통해 도약하는 기업이나 혁신을 의미하는 용어로 사용된다.

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양자도약
개요
정의	원자 내에서 전자가 에너지 준위 사이를 이동하는 현상
설명	전자가 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동할 때, 에너지를 흡수하거나 방출하는 과정. 이 과정에서 전자는 특정 양의 에너지(광자)를 흡수하거나 방출하며, 이를 통해 원자의 에너지 상태가 변화함.
양자 도약
정의	원자 또는 다른 양자 시스템의 한 양자 상태에서 다른 양자 상태로의 갑작스러운 변화
설명	양자 도약은 전자가 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 '점프'하는 것으로 비유되며, 이는 에너지를 흡수하거나 방출함으로써 발생. 고전 물리학과는 달리, 양자역학에서는 이러한 전이가 연속적이지 않고 불연속적인 '도약'으로 나타남.
특징
에너지 교환	전자가 더 높은 에너지 준위로 이동할 때 에너지를 흡수하고, 더 낮은 에너지 준위로 이동할 때 에너지를 방출함.
광자	에너지 교환은 특정 파장(색)을 가진 광자의 형태로 발생하며, 이는 원자의 스펙트럼 선을 결정함.
불연속성	양자 도약은 연속적인 과정이 아니라 갑작스럽고 불연속적인 변화로 나타남.
응용
분광학	양자 도약은 다양한 물질의 원자 구조와 에너지 준위를 연구하는 데 사용됨.
레이저	레이저 기술은 유도 방출을 통해 양자 도약을 제어하여 특정 파장의 빛을 생성함.
양자 컴퓨팅	양자 도약은 양자 비트를 조작하고 양자 정보를 처리하는 데 사용될 수 있음.
참고 문헌

2. 역사

닐스 보어는 1913년에 전자가 양자 도약을 할 수 있다고 처음 이론화했다.^[4] 그 직후, 제임스 프랑크와 구스타프 루드비히 헤르츠는 실험을 통해 원자가 양자화된 에너지 상태를 갖는다는 것을 증명했다.^[5] 1975년 한스 데멜트에 의해 양자 도약의 관측 가능성이 예측되었으며, 1986년 함부르크 대학교에서 트랩된 바륨 이온과 NIST에서 수은을 사용하여 처음 관측되었다.^[6]

2. 1. 닐스 보어의 양자 도약 이론

고전역학에서는 에너지의 흐름이 연속적이라고 가정하였으나, 실제 원자와 전자의 거동은 불연속적이었고, 이를 양자도약이라 한다. 이는 미시적인 자연세계에서 에너지가 불연속적으로 분포하고 거동한다는 것을 뜻한다.

덴마크 물리학자 닐스 보어는 1913년에 전자가 양자 도약을 할 수 있다고 처음 이론화했다.^[4] 그 직후, 제임스 프랑크와 구스타프 루드비히 헤르츠는 실험적으로 원자가 양자화된 에너지 상태를 갖는다는 것을 증명했다.^[5]

양자 도약의 관측 가능성은 1975년 한스 데멜트에 의해 예측되었으며, 1986년 함부르크 대학교에서 트랩된 바륨 이온과 NIST에서 수은을 사용하여 처음 관측되었다.^[6]

2. 2. 양자 도약의 관측

닐스 보어는 1913년에 전자가 양자 도약을 할 수 있다고 처음 이론화했다.^[4] 그 직후, 제임스 프랑크와 구스타프 루드비히 헤르츠는 실험적으로 원자가 양자화된 에너지 상태를 갖는다는 것을 증명했다.^[5]

양자 도약의 관측 가능성은 1975년 한스 데멜트에 의해 예측되었으며, 1986년 함부르크 대학교에서 트랩된 바륨 이온과 NIST에서 수은을 사용하여 처음 관측되었다.^[6]

3. 이론

원자는 진동하는 전기장과 상호 작용하는데, 이 상호작용은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

: $E(t) = |\textbf{E}_0| Re( e^{-i{\omega}t} \hat{\textbf{e}}_\mathrm{rad} )$

여기서 $|\textbf{E}_0|$ 는 진폭, $\omega$ 는 각주파수, $\hat{\textbf{e}}_\mathrm{rad}$ 는 편광 벡터이다.^[7] 실제 위상은 $(\omega t - \textbf{k} \cdot \textbf{r})$ 이지만, 대부분 원자 내에서 $\textbf{k} \cdot \textbf{r}$ 의 변화가 작아 이 항은 무시할 수 있다. 이를 쌍극자 근사라고 한다. 원자는 복사에 의해 생성된 진동하는 자기장과도 상호작용하지만, 그 세기는 훨씬 약하다.

이 상호 작용에 대한 해밀토니안은 전기장 내 고전적 쌍극자의 에너지와 유사하며, 유도 전이율은 시간 의존 섭동 이론이나 페르미 황금률을 통해 계산할 수 있다. 쌍극자 행렬 요소는 방사형 적분과 각 적분의 곱으로 분해되는데, 각 적분은 원자 전이에 대한 선택 규칙이 충족되지 않으면 0이 된다. (하위 섹션 "전자의 불연속적 거동과 양자 도약" 참조)

3. 1. 전자의 불연속적 거동과 양자 도약

고전역학에서는 에너지의 흐름이 연속적이라고 가정하였으나, 실제 원자 내 전자의 거동은 불연속적이며 이를 양자도약이라고 한다. 이는 미시적인 자연세계에서 에너지가 불연속적으로 분포하고 거동한다는 것을 의미한다.^[7]

원자는 진동하는 전기장과 상호 작용한다. 이 상호 작용에 대한 해밀토니안은 전기장 내의 고전적 쌍극자의 에너지와 유사하며, 유도 전이율은 시간 의존 섭동 이론을 사용하여 계산할 수 있지만, 그 결과는 페르미 황금률을 사용하여 요약할 수 있다. 쌍극자 행렬 요소는 방사형 적분과 각 적분의 곱으로 분해할 수 있는데, 각 적분은 원자 전이에 대한 선택 규칙이 충족되지 않으면 0이다.

4. 최근 연구 동향

2019년에는 15mK의 판독 공진기 캐비티 내에 배치된 두 개의 강력하게 혼성화된 트랜스몬 큐비트로 구성된 인공 원자인 초전도체에 대한 실험에서 일부 점프의 진화가 연속적이고, 일관적이며, 결정론적이고, 가역적이라는 것을 입증했다.^[8] 반면에 다른 양자 도약은 본질적으로 예측 불가능하다.^[9]

5. 경제학에서의 의미

경제 용어로서 양자도약은 혁신적인 경영으로 기존의 틀을 깨고 도약하는 기업, 혹은 그러한 혁신을 의미하기도 한다.^[10] 이는 양자도약이 불연속적이라는 점에서 유래한 용어이다.

참조

_[1] 웹사이트 Quantum physics http://abyss.uoregon[...] University of Oregon Department of Physics
_[2] 학술지 Observation of Quantum Jumps in a Superconducting Artificial Atom
_[3] 학술지 How fast is a quantum jump? https://www.scienced[...] 2020-12-04
_[4] 뉴스 PHYSICISTS FINALLY GET TO SEE QUANTUM JUMP WITH OWN EYES https://www.nytimes.[...] 1986-10-21
_[5] 웹사이트 Franck-Hertz experiment {{!}} physics {{!}} Britannica https://www.britanni[...] 2021-12-06
_[6] 학술지 Early observations of macroscopic quantum jumps in single atoms http://tf.boulder.ni[...] 2015
_[7] 서적 Atomic Physics Oxford University Press
_[8] 학술지 To catch and reverse a quantum jump mid-flight 2019-06-03
_[9] 학술지 Quantum Zeno effect appears in stages https://link.aps.org[...] 2020-09-29
_[10] 네이버지식백과 양자도약 https://terms.naver.[...]

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