[오늘의 과학자]'1000조분의 1초' 분자 움직임 본다

기초과학연구원(IBS) 초강력레이저과학연구단(GIST 캠퍼스) 남창희 단장과 제1저자인 윤혁 IBS 연구위원이 분자가 지닌 다양한 전자 궤도를 관측할 수 있는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

전자 궤도를 관측할 수 있다는 것은 원자나 분자가 결합하거나 분해될 때 각각의 전자들이 어떻게 상호작용하는지 파악할 수 있다는 의미이다.

예컨대, 수소와 산소 분자가 결합돼 생성되는 물 분자가 H2O의 구조를 이루는 과정 내에서 각 전자의 역할을 이해할 수 있다.

연구진은 펨토초(1,000조분의 1초)의 시간 단위에서 발생하는 분자의 운동 상태를 관찰하기 위해 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 만들어 냈다.

고차조화파는 원자 또는 분자가 강력한 레이저에 노출되었을 때 발생되는 빛이다.

강한 레이저장이 원자를 이온화시키면 원자에서 탈출한 전자가 다시 원자와 재결합하는 과정에서 여러 주파수의 형태로 나타난다.

연구진은 강력한 초고속의 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 발생시켜 카메라로 사진을 찍듯이 시간에 따른 분자 내 다중 전자 궤도의 변화를 관측할 수 있었다고 설명했다.

지금까지 전자 궤도 연구는 분자에 가하는 펨토초 레이저의 편광방향에만 의존하는 1차원적 연구였다.

이 방법으로는 다중 전자 궤도로부터 발생하는 신호를 분해할 수 없었기 때문에 특정 전자 궤도를 정밀하게 관측하는 데 한계가 있었다.

연구진이 개발한 2차원 고차조화파 분광법은 다중 전자 궤도의 특성을 파악할 수 있는 새로운 관측 기술로, 화학 반응 과정을 초고속·초정밀로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.

이번 연구 성과는 물리학 분야​ 전문학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 지난달 14일자 온라인판에 ​​게재됐다.