기초과학연구원(IBS) 연구팀이 분자가 지닌 다양한 전자 궤도를 관측할 수 있는 기술을 개발했다. 예컨대 수소 분자와 산소 분자가 결합돼 생성되는 물 분자가 H2O의 구조를 이루는 과정에서 각 전자의 역할을 이해할 수 있다는 의미다.
연구팀은 펨토초(1000조분의 1초)의 시간 단위에서 발생하는 분자의 운동 상태를 관찰하기 위해 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 만들었다. 고차조화파는 원자 또는 분자가 강력한 레이저에 노출됐을 때 발생되는 빛이다.
2차원 고차조화파 분광법의 모식도(IBS 제공) |
강한 레이저장이 원자를 이온화시키면 원자에서 탈출한 전자가 다시 원자와 재결합하는 과정에서 여러 주파수의 형태로 나타난다. 연구팀은 강력한 초고속의 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 발생시켜 카메라로 사진을 찍듯이 시간에 따른 분자 내 다중 전자 궤도의 변화를 관측할 수 있었다.
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 관측하는데 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 2차원 고차조화파 분광법은 다중 전자 궤도의 특성을 파악할 수 있는 새로운 관측 기술로, 화학 반응 과정을 초고속·초정밀로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.
남창희 IBS 초강력레이저과학연구단 단장은 “기존 고차조화파 분광법의 한계를 뛰어넘는 독창적이고 창의적 성과”라며 “분자의 다중 궤도를 관측할 수 있는 방법을 제시해 초고속 분자물리학 분야의 새 지평을 열었다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구 성과는 물리학 분야 전문학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 지난달 14일자 온라인판에 게재됐다.
dsun@heraldcorp.com