분자 내의 전자 궤도를 보는 새로운 눈

- 2차원 분자 다중 궤도 관측기술 개발 -

 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 연구진이 분자가 지닌 다양한 전자 궤도1)를 관측할 수 있는 기술을 개발했다.

 전자 궤도를 관측할 수 있다는 것은 원자나 분자가 결합하거나 분해될 때 각각의 전자들이 어떻게 상호작용하는지 파악할 수 있다는 의미를 지닌다.

 예컨대, 수소 분자와 산소 분자가 결합되어 생성되는 물 분자가 H2O의 구조를 이루는 과정 내에서 각 전자의 역할을 이해할 수 있다.

 앞으로 전자 궤도의 관측을 통해 정밀한 화학 반응 과정과 원리를 이해할 수 있게 될 것으로 보이며, 더 나아가 생명현상에 관계된 복잡한 분자의 화학반응에도 깊은 접근이 가능할 것으로 기대된다.

 연구진은 펨토초(1,000조분의 1초)의 시간 단위에서 발생하는 분자의 운동 상태를 관찰하기 위해 펨토초 레이저2)를 활용하여 고차조화파3)를 만들어 냈다.

 고차조화파는 원자 또는 분자가 강력한 레이저에 노출되었을 때 발생되는 빛을 말한다. 강한 레이저장이 원자를 이온화시키면 원자에서 탈출한 전자가 다시 원자와 재결합하는 과정에서 여러 주파수의 형태로 나타난다.

 연구진은 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.

 연구진이 개발한 2차원 고차조화파 분광법4)은 다중 전자 궤도의 특성을 파악할 수 있는 새로운 관측 기술로, 화학 반응 과정을 초고속·초정밀로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.

 남창희 IBS 초강력레이저과학연구단(GIST 캠퍼스) 단장은 이번 성과를 “기존 고차조화파 분광법의 한계를 뛰어넘는 독창적이고 창의적인 성과”라고 전하며 “분자의 다중 궤도를 관측할 수 있는 방법을 제시하여 초고속 분자물리학 분야의 새 지평을 열었다는 점에서 의미가 있다”고 밝혔다.

 IBS 초강력레이저과학연구단(단장 남창희)과 GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 고등광기술연구소(APRI, 소장 이용탁)의 연구팀이 함께 수행한 이번 연구 성과는 물리학 분야​ 전문학술지인 피지컬 리뷰 레터스5)(Physical Review Letters) 4월 14일자 온라인판에 ​​게재됐다.

* (논문제목) 2차원 고차조화파 분광법을 이용한 분자의 다중 전자 궤도 분해

 (Resolving Multiple Molecular Orbitals Using Two-Dimensional High-Harmonic Spectroscopy)

* (제1저자) 윤혁 IBS 초강력레이저과학연구단 연구위원

* (교신저자) 김형택 GIST 고등광기술연구소 박사

남창희 초강력레이저과학연구단 단장 (GIST 물리광과학과 교수)