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물리 짧은 수명의 전자 자유도
2014.07.02 23:06
짧은 수명의 전자 자유도http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014061210&service_code=03 | |
|---|---|
| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-07-02 | |
| 클러스터(cluster)를 갖는 강력한 극자외선(extreme-ultraviolet (XUV)) 레이저 펄스(laser pulse)의 상호작용 과정에서 많은 이온과 자유 전자(free electron)가 생성되어 나노 수준의 플라즈마(nanoscale plasma) 형성을 유도한다. XUV/X-선 자유 전자 레이저(free electron laser (FEL)를 이용한 실험에서 이러한 전자의 매우 작은 부분만이 클러스터를 남길 수 있다는 것이 이전에 입증되었는데, 대부분의 전자들은 클러스터 내에서 포집되어 이온과 재조합된다. 실험실 수준의 XUV 소스를 이용한 새로운 방식에서 연구진은 전이된 원자(excited atom)의 강한 형성을 유도하는 전자-이온 재조합(electron-ion recombination) 프로세스에 대한 피코초 범위의 시간 수준을 측정하였다. 연구 결과에 따르면 나노초 시간까지 레이저에 의해 유도된 클러스터의 팽창 프로세스를 추적하는 것이 가능하다. 강력한 레이저 펄스에 의해 클러스터에서 다수의 전하 형성을 통해 자유 전자 및 이온을 구성하는 임시적인 나노플라즈마(nanoplasma)의 생성을 유도한다. 과거 매력적인 프로세스가 이미 나노플라즈마에서 관찰되었는데, 핵 융합(nuclear fusion) 혹은 매우 큰 운동 에너지를 갖는 중성 원자의 생성을 포함한다. 나노플라즈마가 자유 전자 레이저로부터 강력한 XUV 펄스를 갖는 클러스터의 상호작용 과정에서 일반적으로 생성되는 반면 플라즈마 내에서 본 프로세스의 상세한 이해는 여전히 도전적인 과정이다. 이론 모델은 대부분의 전자가 클러스터에 포집된 상태를 유지하며 임시 종(transient species) 모두는 일반적인 실험에서 관찰될 수 없는 이온과 재조합된다. 하지만 클러스터에 존재하는 이러한 프로세스는 복잡하고 다양하며 세부적인 예측이 어렵기 때문에 역학(dynamics) 실험은 매우 중요하다. 나노플라즈마에서 상이한 메커니즘의 보다 우수한 이해를 위한 방식은 시간 해상 실험의 개발이다. 이러한 관점에서 아토초 영역까지 광학 펄스를 전달할 수 있는 강력한 고차원의 조화 생성 소스(high-order harmonic generation (HHG) source)는 매우 흥미롭다. 이러한 실험실 수준의 XUV 소스는 클러스터에 펌프-탐침 실험(pump-probe experiment)을 수행할 수 있는 직관적인 방법을 제공하며 클러스터 역학의 이해를 위한 가능성을 현격히 증가시키게 된다. 막스 본 연구소(Max-Born-Institut)의 과학자들은 강력한 HHG 소스를 이용하여 클러스터에 최초의 펌프-탐침 실험을 수행할 수 있었다. 재조합을 통한 전이된 원자의 재이온화를 가능케 하는 기술 개발을 통해 재조합 전 이온 전하 상태에 대한 정보를 최초로 가늠할 수 있었다. 근적외선 펄스를 이용함으로써 전이된 원자의 형성이 관찰되었으며, 전자와 이온간의 재조합으로부터 기원된다는 것이 확인되었다. 나노플라즈마에서 광이온화로 방출된 전자는 주변이 이온과 재조합 프로세스를 거치기 전에 최대 10 피코초까지의 짧은 시간동안 준 자유 상태를 유지한다. 이러한 프로세스에 대한 보다 많은 정보는 제논 중심과 아르곤 껍질을 구성하는 특별한 클러스터를 생성함으로써 얻어질 수 있었다. 금번 연구 결과는 재조합이 클러스터의 제논 중심에서 선호되어 발생한다는 것을 나타낸다. 클러스터와 상호작용하는 이온화 펄스의 파장은 중요하지 않다. 즉, 재조합 프로세스에 기여하는 전이된 원자의 형성은 XUV 펄스 대신 NIR 혹은 블루 펌프 펄스를 이용하여 관찰될 수도 있다. 이는 상이한 파장 영역에서 수행된 이전의 실험 결과들에 대한 설명을 위해 금번 연구 결과의 파급성을 의미한다. 또한 클러스터 확장 역학은 REAR 기술을 이용하여 나노초 수준까지 추적될 수 있다. 금번 연구 결과는 클러스터에서 역학 프로세스의 연구를 위해 강력한 HHG 펄스의 우수한 가능성을 나타낸다. 향후 바이오분자와 같은 다른 확장 시스템의 연구를 위해 실험실 수준의 XUV 광소스가 이용될 수 있을 것이다. [그림] 1. (a) XUV/NIR 레이저 편극에 수평 및 수직으로 방출된 전자의 모멘텀 분포를 나타내는 2차원 전자 모멘텀 지도. (b) 0.6 eV의 에너지에서 피크를 나타내는 운동 에너지 스펙트럼은 4d 및 5p 전이 상태의 단일 광자 NIR 이온화에 의한 결과임. 2. 제논 중심과 아르곤 껍질을 구성하는 혼합된 클러스터의 XUV 이온화 후 시간 의존적인 Xe+ 이온이 생성됨. 두 개의 상이한 세기에서 NIR 펄스가 검사에 이용됨. [원문] Bernd Schütte, Filippo Campi, Mathias Arbeiter, Thomas Fennel, Marc J. J. Vrakking and Arnaud Rouzée: "Tracing electron-ion recombination in nanoplasmas produced by extreme-ultraviolet irradiation of rare-gas clusters", Physical Review Letters 112.253401,(2014) | |
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다. | |
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