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물리 테라헤르츠파를 측정할 ‘이’를 갖게 된 주파수 빗
2015.05.10 22:50
테라헤르츠파를 측정할 ‘이’를 갖게 된 주파수 빗http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015050071&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-05-06 | |
| 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 테라헤르츠파를 발생시키고 검출하는 주파수 빗(frequency comb)은 깊은 우주에 있는 분자들을 정밀하게 측정할 수 있을 것이다. 칼텍(California Institute of Technology) 화학자들이 상용 레이저와 광학부품들을 주문제작 전자부품과 결합시켜 주파수 빗 기술을 테라헤르츠 영역으로 확장시킴으로써, 전례 없이 넓은 스펙트럼 범위와 정밀도를 가진 장치를 만들었다. 이 장치는 2개의 티타늄사파이어 펨토초 레이저 발진기로 구성되어 있으며 비동기식 광학 샘플링 THz 시간영역 분광법의 원리를 이용하고 있다. 주파수 빗의 수천 개에 달하는 ‘이’들은 테라헤르츠 영역의 대부분에 해당하는 0.15~2.4 THz 스펙트럼에 걸쳐 80 MHz마다 균일한 간격으로 놓여있기 때문에, 시료에서의 흡수를 모든 주파수에서 동시에 측정할 수 있는 수단을 연구팀에게 제공한다. “전파를 이용할 때에는, 대부분의 동조기들은 한 번에 단 하나의 수신국, 즉 주파수에 집중해서 귀를 기울여야 한다. 이번 우리의 테라헤르츠 방식에서는 10,000개 이상의 주파수들을 모두 한 번에 분리하고 처리할 수 있다. 가까운 미래에는 그 수를 10만 개 이상으로 증가시킬 것으로 기대한다”고 칼텍의 화학, 우주화학 및 행성과학 교수인 제프리 블레이크(Geoffrey A. Blake)는 말했다. 장치가 균일한 간격의 주파수들 수 만 개를 발생시키면, 그 파동들은 수증기와 같은 시료를 통과해서 진행한다. 그러면 어떤 빛이 시료를 통과하는지와 빗을 따라 늘어선 각각의 이에 있는 분자에 무엇이 흡수되는지를 장비가 측정한다. 만약 검출된 이가 짧아지면, 그 시료는 그 특정 테라헤르츠 파를 흡수한 것이다. 만약 이가 그 기선 높이에 나타나면, 그 시료는 그 주파수를 흡수하지 않은 것이다. “우리가 테라헤르츠 빛으로 우주를 조사할 때에는, 기본적으로 다양한 분자들의 덤블링 운동과 관련된 이러한 선들의 숲을 관찰한다. 실험실에서는 이 숲을 한 번에 한 점 한 분자씩 조사해야 하기 때문에, 이러한 선들을 이해하고 해명하는 일은 어렵다. 우리가 개발한 테라헤르츠 빗은 전체 숲을 동시에 분석하는 수단”이라고 미국립과학재단 연구원으로 블레이크의 실험실에서 연구하고 있는 대학원생 이안 피너란(Ian Finneran)은 말했다. 우주에서 약 10K(-263 °C)보다 따뜻한 모든 물체는 테라헤르츠 복사를 방출한다. 이렇게 매우 낮은 온도에서조차도, 분자들은 테라헤르츠 지문을 갖고 있다. 칼텍의 서브밀리미터관측소(Submillimeter Observatory), ALMA(Atacama Large Millimeter Array) 및 허셜우주망원경(Herschel Space Observatory)과 같은 망원경들을 이용하고 있는 천문학자들은 테라헤르츠 주파수에서 별들의 신생아실과 행성형성원반을 탐색하고 있으며, 행성계에 존재하며 이용할 수 있는 종류의 분자들을 판단하기 위한 그와 같은 화학적 지문을 찾고 있다. 그러나 단 하나의 하늘 조각에서도, 25개 혹은 그 이상의 서로 다른 분자들의 지문을 발견하는 일은 흔하다. 간단히 말해서, 테라헤르츠 영역의 스펙트럼에는 지금은 접근할 수 없는 정보들로 가득 차 있다. “우리는 우리 자에 있는 눈금들을 정확히 알고 있기 때문에, 이러한 주파수들을 대단히 정밀하게 얻기 위한 진단 도구로 이것을 이용할 수 있다. 우리는 우주를 쳐다볼 때마다, 실험실에서 그처럼 매우 정확한 측정을 한다는 것을 확인하고 싶어 한다”고 피너란은 말했다. 테라헤르츠 빗은 분자들 사이의 기본적인 상호작용을 연구하는 데에도 유용할 것이다. “테라헤르츠는 생명에 있어서 중요한 개별적인 거대 분자들 내부의 진동뿐만 아니라, 물과 같은 액체의 특성을 지배하는 서로 다른 분자들 사이의 진동을 관찰할 정말로 유일한 직접적 수단이라는 점에서 독특하다”고 블레이크는 말했다. 이번 연구결과는 ‘Physical Review Letters’에 발표되었다. * 그림1 : 테라헤르츠 범위에서 작동하는 새 주파수 빗은 우주에 있는 유기분자에 대한 연구와 물 속 분자들 사이의 약한 상호작용에 대한 연구에 도움을 줄 것이다. * 그림2 : 티타늄사파이어 레이저에 의해 발생된 빨간색 빛의 펨토초 펄스는 테라헤르츠 빛으로 바뀐다. 빨간 빛의 부품은 티타늄사파이어 결정이고, 레이저에 사용된 거울이 주위를 둘러싸고 있다. |
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자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.
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