[물리] 극초단 레이저 펄스 조절

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-12-17

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특별한 형태의 레이저 펄스(laser pulse)는 분자의 전자 상태를 변화시키는데 사용될 수 있다. 이러한 프로세스는 수 아토초가 소요되지만 이는 보다 느린 프로세스인 분자의 분리를 개시시킬 수 있다. 레이저 펄스는 조절된 방식에서 화학 작용을 개시하거나 억제하는데 사용될 수 있다.

화학 반응은 너무나 빠르게 발생하기 때문에 기존 방법을 이용하여 이를 조절하거나 프로세스를 관찰하는 것이 불가능하다. 하지만, 전기 공학 및 양자 기술에서 새로운 개발 결과를 통해 원자와 분자의 거동에 대한 보다 정확한 이해와 향상된 조절성을 갖게 되었다. 비엔나 기술대(Vienna University of Technology) 연구진은 극초단 레이저 펄스를 이용하여 최대 10개의 원자를 갖는 분자의 분리에 영향을 미칠 수 있었다.

분자를 쪼개는 일은 기초적인 화학 반응의 예이다. 레이저 펄스로 분자 결합을 분리하는 일은 상대적으로 간단하다. 하지만, 조절된 방식으로 특정 결합의 분리에 영향을 미치거나 혹은 개시하는 것은 보다 어려운 일이다. 이를 달성하기 위해 복잡한 프로세스가 원자 수준에서 변화되어야 한다. 최근 이러한 연구가 수 펨토초의 지속 기간을 갖는 특별한 형태의 레이저 펄스를 통해 수행되었다.

하나의 탄소 원자는 하나의 전자보다 약 2만 2천 배나 큰 질량을 가지고 있다. 따라서, 상대적으로 비활성이며, 자신의 위치를 쉽게 움직일 수 없다. 레이저 펄스는 원자 핵의 이동보다 빠르게 작은 경량의 전자를 움직이게 된다. 즉, 하나의 전자는 분자에서 추출된 후 레이저 펄스 필드를 이용하여 역전되어 분자와 충돌한다. 이러한 충돌 시 전자는 분자로부터 둘째 전자를 추출하게 된다. 이중으로 하전된 분자는 유지되며, 이는 특정 환경 아래서 하전된 조각 두 개로 분리된다.

일반적으로 원자 핵이 충분한 거리로 떨어져 두 개의 조각으로 분리되기 위해선 수 펨토초의 시간이 소요된다. 분자와 전자의 충돌은 수 백 아토초 동안만 유지된다. 따라서 연구진은 두 개의 독립된 시간 수준을 다뤄야만 했다. 특별한 형태의 극초단 레이저 펄스는 빠르게 움직이는 전자에 영향을 미친다. 전자의 상태가 충돌에 의해 변화되는 사실은 크고 느린 원자 핵을 움직이도록 한다.

이러한 기술을 이용하여 연구진은 원자 핵의 이동이 보다 빠른 전자에 의해 간접적으로 영향을 받는다면 다양한 탄화수소 분자를 이용한 특별한 화학 반응이 조절된 방식으로 개시되거나 혹은 억제될 수 있다는 것을 최초로 입증할 수 있었다. 레이저 펄스의 정확한 형태는 본 프로세스에서 매우 중요하다.

실험 데이터를 올바르게 해석하고 원자 및 전자 수준에서 빠르게 진행되는 프로세스에서 무엇이 발생하는지를 이해하기 위해 이론 계산과 컴퓨터 시뮬레이션이 요구된다. 본 방법을 이용하여 연구진은 분자가 분리되는지의 여부 그리고 어떻게 진행되는지에 대한 것을 간단히 관찰하는 대신 보다 많은 것을 진행할 수 있었다. 실험과 시뮬레이션에 따르면 화학 프로세스의 순서가 레이저 펄스의 정밀 조절을 이용하여 표적 방식에 어떻게 영향을 미치는지 입증할 수 있었다.

[그림]
1. 짧은 레이저 펄스

2. 분자 조각 측정 장비

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