나노기술 및 정책 정보

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1999년 이집트의 화학자 Ahmed Zewail은 분자의 모양이 변하는 속도를 측정하여 노벨상을 수상함. 그는 극초단레이저 플래시를 사용하여 펨토 화학을 수립함. 화학 결합의 형성과 분리는 펨토초 영역에서 발생함. 펨토초는 0.000000000000001 초 또는 10^-15 초와 같음.

독일의 프랑크푸르트 대학교(Goethe University Frankfurt) 연구팀이 처음으로 펨토초보다 크기가 짧은 과정을 연구했음. 그들은 광자가 수소 분자를 가로 지르는 데 걸리는 시간을 측정했음. 분자의 평균 결합 길이는 약 247 제프토 초임. 이것은 현재까지 성공적으로 측정된 가장 짧은 시간임. 연구팀은 함부르크 가속기센터 DESY에서 싱크로트론 광원 PETRA III에서 X- 선을 조사한 수소 분자 (H2)에 대한 시간을 측정했음. 연구진은 하나의 광자가 수소 분자에서 두 전자를 모두 방출하기에 충분하도록 X 선의 에너지를 설정했음. 전자는 입자와 파동처럼 동시에 행동하므로 첫 번째 전자의 방출로 인해 첫 번째 전자파가 우선 방출된 다음 두 번째 수소 분자 원자에서 빠르게 연속적으로 파동이 병합됨. 여기서 광자는 물을 두 번 스치는 평평한 조약돌처럼 행동했음. 파동이 파문과 만나면 첫 번째와 두 번째 물 접촉의 파동이 서로 상쇄되는 간섭 패턴이 생김. 간섭 패턴과 동시에 COLTRIMS 반응 현미경으로 수소 분자의 방향을 결정할 수 있음. 여기에서 연구원들은 두 번째 전자도 수소 분자를 떠나고 남은 수소 핵이 떨어져 날아가서 탐지된다는 사실을 이용했음. 수소 분자의 공간적 방향을 알고 있었기 때문에 두 전자파의 간섭을 사용하여 광자가 첫 번째 수소 원자에 도달한 시기와 두 번째 수소 원자에 도달한 시기를 정확하게 계산했음. 이것은 분자 내에서 두 원자가 빛의 관점에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 나타내며 최대 247zeptoseconds 만큼 떨어져 있음. 연구팀은 분자의 전자 껍질이 모든 곳에서 동시에 빛에 반응하지 않는다는 것을 처음으로 관찰했음. 시간 지연은 분자 내의 정보가 빛의 속도로만 확산되기 때문에 발생함. 이 발견으로 연구팀은 COLTRIMS 기술을 다른 애플리케이션으로 확장했음.

본 연구 성과는 ‘Science’ ("Zeptosecond Birth Time Delay in Molecular Photoionization") 지에 게재됨.