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[랩큐멘터리]'1000조분의 1초' 순간을 포착하는 극초고속 레이저의 세계

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[랩큐멘터리]'1000조분의 1초' 순간을 포착하는 극초고속 레이저의 세계

2021.09.01 16:04
포스텍 극초고속 동역학 연구실
 

물질 속에서 크기가 1나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m)도 되지 않는 원자의 운동속도는 초당 1㎞에 이른다. 이런 '찰나'의 순간 아주 작은 입자의 움직임과 진동을 측정하려면 극도로 짧은 시간 빛을 쪼여 변화를 관찰하는 방법밖에 없다. 카메라로 보면 셔터 속도를 높여야 고속으로 움직이는 섬세한 움직임을 포착하듯 말이다. 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 빛을 쪼였을 때 이런 입자가 변화하는 모습을 정확하게 볼 수 있다. 
 

주태하 포스텍 교수가 이끄는 극초고속 동역학 연구실은 극초단파 레이저 분광학을 이용해 작은 분자에서 살아있는 생물에 이르기까지 다양한 물질 구조에서 물질의 최소단위인 양자의 움직임을 정확히 포착하는 연구를 진행하고 있다. 빛의 파장에 따른 물질의 반응 변화를 관찰하는 분광학을 이용해 양자가 에너지를 받아 들뜨는 현상인 '양자동역학 현상'을 관찰한다. 서로 다른 양자가 간섭 특성을 갖는 ‘결맞음’ 현상을 관찰하는 것도 주된 연구 주제다.

 

주태하 포스텍 화학과 교수
주태하 포스텍 화학과 교수

양자의 움직임은 물체가 받는 에너지에 좌우된다. 물체가 에너지를 받으면 그 에너지가 다양한 화학반응을 일으킨다. 양자의 움직임을 관측하면 화학반응을 예측할 수 있게 되는 셈이다. 예를 들어 태양광 발전에 사용되는 전이금속착물은 태양광을 받아 에너지로 전환하는 과정에서 양자동역학에 따라 작동한다. 망막의 광수용체 색소인 로돕신은 빛을 받으면 화학 반응을 일으켜 사람이 빛을 인지한다. 이때 핵의 움직임이 활발하게 일어나는게 양자동역학을 통해 관측됐다.

 

찰나의 순간 양자 운동을 포착하기 위해서는 레이저의 주기인 펄스가 최소한 100펨토초 이하로 떨어져야 한다. 연구실은 전 세계에서 가장 높은 수준인 20펨토초 분해능을 가진 극초단 가시광선 광학파라메트릭 레이저를 개발해 분석에 활용하고 있다. 반응을 역으로 조절하는 레이저 장비도 개발하고 있다. 화학 반응을 변화시키는 데 필요한 에너지를 알아내 레이저로 에너지를 화학 반응을 조절하는 것도 가능하다.

 

 

연구실은 주 교수부터 학생들에 이르기까지 각자 자신만의 실험 장비를 갖추고 원하는 실험을 진행하고 있다. 누구나 마치 레고로 조립하듯 광학 부품을 하나하나 조립해 원하는 장비를 제작해 실험에 적용하는 노하우를 보유하고 있다.  연구실은 지난해 과학기술정보통신부가 지정한 선도연구센터 사업에 ‘양자동역학연구센터’로 선정되는 등 양자동역학 분야 연구 우수성을 인정받고 있다. 

 

▼포스텍 극초고속 동역학 연구실 보기

 

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다. 동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 수요일 소개합니다.

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