세상에서 가장 빠른 레이저 펄스를 이용하여, 애리조나 대학 물리학자들은 분리되는 분자들의 작용과 원자에서 떨어져 나가는 전자들의 운동을 포착하였다. 이들의 연구는 분자 프로세스를 더 잘 이해할 수 있게 해주고 궁극적으로 많은 가능한 응용에서 그것들을 조절할 수 있게 해 줄 것이다. 1850년 미국으로 이민을 간, 영국 태생의 이드웨어드 무이브리지(Eadweard Muybridge)는 움직이는 동물의 사진을 연속적으로 찍어, 그 당시 사진술의 한계를 뛰어넘고자 노력하였다. 첨부된 그림 2는 1878년에 그가 찍은 말이 달리는 일련의 사진이다. 그로부터 약 134년 후, 애리조나 대학 물리학과의 연구자들은 크게 여기된 산소분자를 말로 대체하고, 극도로 빠른 고에너지 레이저 섬광으로 무이브리지의 사진 유액판을 대체한 연구를 수행하였다.

애리조나 대학의 연구진은 0.0000000000000002초간 지속하는 극자외선 빛 섬광을 이용하여 상상할 수 없이 빠른 거동을 정지시킬 수 있었다. 이렇게 함으로써 산소 분자들이 믿을 수 없이 짧은 시간 동안 고에너지로 충돌되는 것을 확인할 수 있었다. 원자와 분자에서 극도로 짧은 순간의 이벤트를 관측하는 것은 과학자들이 전자 수준에서 양자 프로세싱을 더 잘 이해하고자 하기 때문에 그 중요성이 점점 증가하고 있다. 궁극적으로 과학자들은 이런 프로세스를 조절하여 새로운 광소스, 새로운 분자를 조립하거나 새로운 극초고속 전자디바이스를 제작하는 것을 목표로 하고 있기 때문에 그 중요성이 더욱 커지고 있는 것이다.

이 연구진은 가장 짧은 광펄스를 제작한 세계 기록을 보유하고 있지는 않지만, 매우 뛰어난 과학적 질문에 대한 답을 찾을 수 있는 도구를 사용하는데 선구적인 역할을 하였다. 그들의 최근 업적은 피지컬 리뷰 레터스 저널에 발표되었다. 이들이 논문에 발표한 내용은 산소 분자가 두 개의 원자 사이의 안정된 결합을 유지하기에는 너무 많은 에너지를 흡수하여 멀어질 때 무엇이 일어나는지에 대해 일련의 실시간으로 스냅사진을 찍은 것이다. 그와 같은 짧은 시간 스케일 상에서 분자 프로세스를 분해할 수 있는 능력은 과학자들로 하여금 지구 대기의 오존 파괴 및 형성을 일으키는 마이크로스코픽한 동역학을 더 잘 이해할 수 있게 하여 줄 것이다.

연구진은 타자를 향해서 빨리 던져진 야구공의 사진을 찍어 원리를 비교하였다. 만약에 우리가 일반적인 카메라를 사용한다면, 우리는 매우 희미한 사진을 찍거나 야구공은 아마 전혀 나타나지도 않을 것이다. 그러나 연구진은 야구공의 표면, 꿰맨 자국 등을 포함한 모든 자세한 것들이 주어진 시간에 정확하게 어디에 있는 것과 같은 것을 연구하기를 원했다고 말하였다.

연구진은 그것을 하기 위한 두 가지 방법이 있다고 말하였다. 카메라의 셔터가 매우 빠르게 열렸다 닫혔다 할 수 있도록 하여 야구공이 움직이기 전에 찍는 것이다. 또 다른 방법은 스토보스코피(stroboscopy)라고 불리는 기술을 이용하여 영상을 찍는 동안의 매우 짧은 시간 안에 공에 빛을 비추는 것이다. 그러나 야구공을 원자 또는 전자로 치환하면 이런 유사성이 사라진다. 마이크로스코픽 물체는 너무 빨리 움직여 기계적 또는 전기적 디바이스로 포착하는 것은 너무 어려운 문제이다.

연구진은 원자 수준에서 움직임을 정지시킬 수 있는 방법은 오로지 펨토초 동안만 지속하는 짧은 패킷형태의 빛 펄스를 이용하거나 또는 펨토초보다 1000배나 더 짧은 아토초를 이용하는 것이다. 그와 같은 빛 펄스의 기간을 명확하게 하기 위해서, 이 그림을 참조할 수 있다. 1아토초에 대한 1초는 1초에 대한 우주의 나이로 비교될 수 있다. 이런 아토초의 빛 펄스를 생성하기 위해서, 매우 강한 펨토초 레이저 펄스로 시작해야 한다. 펨토초 레이저 펄스에 의해 전달된 출력은 1테라와트에 해당하는데, 이것은 미국의 전체 파워 그리드와 동일한데, 단지 극도로 짧은 순간 동안만 지속된다는 점에 다르다.

펨토초 레이저 펄스가 우리 안구의 로돕신(rhodopsin)과 같은 분자의 운동을 분해해 낼 수 있지만, 그것들은 훨씬 더 가볍고 더 빠른 전자들의 영상은 포착할 수 없다. 연구진은 레이저 펄스가 통과할 때 실시간으로 강한 전기장 하에서 헬륨의 원자 구조에 무엇이 발생하는지를 연구할 수 있었다고 말하였다. 이들 그룹은 이전에 피지컬 리뷰 레터스 저널에 아토초 전자 동역학을 연구하여 발표한 적이 있다.

최근의 연구에서, 이 연구진은 산소 분자가 고에너지 포톤에 의해 충돌되어 분리될 때 얼마나 걸리는지를 측정함으로써 오래된 논란의 종지부를 찍었다. 이들의 측정 결과는 1,100펨토초였으며, 이전의 측정은 100배나 차이가 있었다. 또 다른 혁신은, 이 연구가 크게 여기된 원자로부터 방출되는 전자가 걸리는 시간을 처음으로 실험적으로 측정하였다는 것이다. 이런 프로세스는 이론적으로만 시뮬레이션되었다. 연구진은 이 자발적인 전자 방출이 약 90펨토초 안에 발생한다는 것을 발견하였다.

만약에 충분한 에너지를 분자에 주입하면, 전자가 쉽게 방출될 것으로 알려져 있지만, 이 연구진의 관측 결과 분자는 갑자기 붕괴될 때까지 이웃의 원자나 전자들과 에너지를 공유하려고 과잉 에너지를 이동시킨다는 것을 발견하였다. 연구진은 아토초 레이저를 이런 산소 분자들의 거동을 연구하기 위해 사용하였다. 연구진은 여기된 분자들의 수준에서 많은 연구가 이루어지지 못하였는데, 그 이유는 그것이 수학적으로 모델링하기가 매우 어렵기 때문이라고 말하였다. 산소 분자를 이런 고에너지 상태로 펌프시킬 때, 그것의 과잉 에너지를 방출시키는 여러 경로가 있다. 연구진은 이런 각 경로를 분석할 수 있었으며 전자를 원자 밖으로 방출시킬 때 어떤 상황이 발생하는지도 분석할 수 있었다.

연구진에 따르면, 분자, 원자 또는 전자들의 움직임을 추적하는 것은 물리적, 화학적 프로세스를 이해하는데 중요하다고 한다. 고에너지 UV 광은 계속해서 우리의 대기와 충돌하고 그 안에 있는 분자들을 여기시킨다. 그것들은 여기된 원자들을 쪼개고, 오존을 형성시키거나 파괴한다. 이런 현상은 상층부 대기의 화학을 이해하는데 도움이 된다. 분자 안의 전자 또는 원자들의 동역학을 가능한 짧은 시간 스케일에서 측정할 수 있는 것은 우리로 하여금 이런 분자들을 관장하는 기본적인 상호작용을 이해할 수 있게 해준다고 연구진은 덧붙였다.

그러나 더 중요한 것은, 그것은 이런 원자 또는 분자들의 동역학 특성을 조절하고 변경할 수 있게 하여준다. 그 이유는 이제 우리가 실시간에서 운동에 영향을 줄 수 있는 광펄스를 가지고 있기 때문이다. 우리는 더 이상 상호작용이 발생한 후에 측정하지 않아도 된다고 연구진은 말하였다. 실제로 그런 상호작용에 간섭하여 그것을 조절하고자 하고 있다고 말하였다. 즉, 화학 반응이 특정한 방향으로 발생하도록 유도하는 것고 같은 것이다. 가장 짧은 레이저 펄스는 지금까지 67아토초간 지속된 것이다. 연구진에 따르면 심지어 떠 짧은 젭토초(zeptosecond) 레이저 펄스도 생각해 볼 수 있다고 한다.

연구진은 분자의 움직임보다도 더 빠른 프로세스를 연구하길 원하기 때문에 아토초를 사용할 것이라고 말하였다. 우리에게 실질적으로 영향을 주는 것은 일반적으로 전자 및 전자 운동에 의한 기술이기 때문인 것이라고 연구진은 덧붙였다. 연구진이 앞으로 관심을 갖게 될 문제는 서로 상호작용하는 많은 전자들이 있을 경우 어떤 일이 발생하는지에 대한 것이라고 말하였다. 연구진은 이제 실시간으로 이런 프로세스를 실제로 관측할 수 있게 되었다고 덧붙였다.

첨부그림 1: 미국의 연구진은 세계에서 가장 빠른 레이저 펄스의 장점을 이용하여 화학 반응과 같은 초고속 프로세스의 스냅샷을 찍을 수 있게 되었다.
첨부 그림 2: 이드웨어드 무이브리지(Eadweard Muybridge)의 유명한 움직이는 말을 찍은 일련의 사진은 처음으로 고속 사진 촬영술의 시작점으로 기록된다. 간단히 말하면, 애리조나 대학 연구진은 동일한 원리를 따르지만 단지 현대 기술을 이용한 것이 다르다.