초고속 화학의 전개

요즘 '아토초'라는 짧은 시간이 화제가 되는 경우가 많아졌다. 최근까지 '펨토초'가 분자의 초고속 과정을 대표하는 시간 영역이었지만, 그보다 더 짧은 시간의 측정이 가능하게 되었다.

우리의 주변에는 다양한 분자가 존재하고 있다. 예를 들어, 대기 중의 질소 분자와 산소 분자, 그리고 이산화탄소 분자 등이 대표적인 예이다. 이러한 분자의 화학결합은 스프링에 비유할 수 있고, 분자 속의 원자는 구슬에 비유할 수 있다. 분자가 진동하고 있는 모습은 스프링으로 연결된 구슬이 진동하고 있는 모습과 유사하다.

구슬이 진동하는 모습을 만약 고속촬영할 수 있다면 셔터 스피드는 어느 정도면 좋을까. 또한 화학반응이 진행하면 원자와 원자 사이의 화학결합이 끊어지고 새로운 화학결합이 생성된다. 화학반응시 원자와 원자의 거리가 멀어지거나 접근하는 상황을 촬영하는 경우는 어떨까.

분자의 진동주기는 약 1피코초에서 100펨토초 정도이기 때문에, 분자가 진동하고 있는 모습을 추적하기 위해서는 100펨토초 또는 그보다 짧은 시간 간격으로 그것을 관측하는 기술이 필요하다. 분자가 화학반응을 일으켜 화학결합이 절단되거나 생성되는 시간도 분자의 진동주기와 비슷하기 때문에, 역시 100펨토초보다 높은 시간분해능이 필요하다. 여기에서 1피코초(ps)는 10^-12초이다. 즉, 1초를 100만분의 1로 나누고 그것을 100만분의 1로 나눈 것에 해당한다. 1펨토초(fs)는 1000분의 1피코초이며, 100펨토초는 0.1ps와 같다. 고속촬영으로 표현하면, 1피코초에서 100펨토초 정도의 시간 간격에 플래시를 터트려 그 시간만큼의 시간을 대기한 후, 다음 플래시를 터트려 촬영하는 작업을 반복해야 한다.

초단펄스 레이저광을 생성하는 기술이 발전하였고 펄스광의 짧음을 100펨토초 또는 그 이하로 할 수 있게 되었기 때문에, 그런 짧은 펄스광으로 분자를 순간적으로 여기하고, 그 순간의 모습을 다른 하나의 펄스광으로 그 분자를 더욱 여기하여 분자의 운동상태를 시간의 함수로서 추적할 수 있게 되었다. 이때 첫 번째 플래시에 해당하는 펄스광을 펌프 펄스, 그 다음의 플래시를 프로브 펄스라고 부른다. 그리고 이러한 분자나 원자의 시간변화를 추적하는 방법을 펌프 프로브법이라고 부르고 있다.

물리화학 및 분자과학이라고 불리는 화학분야의 연구자들은 이러한 초단펄스광을 이용하여 분자가 진동하는 모습이나 분자의 결합이 해리하는 모습을 이 펌프 프로브법에 의해 추적해왔다. 이 분야는 펨토초 화학(혹은 펨토초 과학)이라는 한 분야가 되어 현재는 전 세계적으로 많은 연구자가 펌프 프로브 법을 통해 분자의 동적 거동을 연구하고 있다.

Highway at night slow shutter speed photography. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Highway_at_night_slow_shutter_speed_photography_03.jpg

흔히 들리는 '펨토초 펄스광'을 사용하여 실험을 했다는 것의 의미는 '1피코초를 자른 초단펄스광'이라는 뜻으로, '1펨토초 펄스광'이란 의미가 아니다. 이것은 펨토초 화학 · 과학분야에서 사용되는 관용적 표현이다. 실제로 펨토초 화학 · 과학분야에서 사용되고 있는 것은 흔히 몇 펨토초에서 100펨토초 정도의 '펨토초 펄스광'이다.

펨토초 화학에서 아토초 화학으로...

세상에는 더 짧은 시간 영역에서 일어나는 현상도 있다. 예를 들어, 만약 탄화수소 분자가 관련된 화학반응이 진행되고 있을 때, 그 분자 내의 수소원자의 운동을 추적하는 경우에는 100fs의 시간분해능은 충분하지 않다. 1펨토초 또는 그 이하의 '아토초 영역'의 시간폭의 펄스광이 필요하다. 원자와 분자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 그 전자의 위치는 원자핵의 위치에 의해 시시각각 변화하고 있다. 그러나 이 전자의 움직임을 추적하기 위해서는 역시 아토초 영역의 펄스광을 이용한 펌프 프로빙이 필요하다. 여기서 1아토초는 1펨토초의 1000분의 1이며, 1초의 10억분의 1 나누기 10억분의 1에 해당한다.

최근 초단펄스광을 발생시키는 기술 발전은 눈부시게 진전되고 있어, 1펨토초을 자르는 초단펄스광을 발생시킬 수 있게 되었다. 우리는 '아토초 펄스광'을 생성할 수 있게 된 것이다. 지금은 100아토초 정도의 펄스폭을 갖는 극한으로 짧은 펄스광의 생성도 보고되고 있다. 이 아토초 펄스는 '펨토초 레이저'를 고강도로 하는 동시에 빛의 위상을 잠금으로써 발생시킬 수 있다. 지금 이 극초단펄스광의 생성 덕분에 '아토초 화학' 혹은 '아토초 과학'이라는 분야가 탄생하여 확산되고 있다. 더욱 짧은 광펄스의 생성은 원리적으로 어렵다고 생각되고 있으며, 인류는 마침내 궁극으로 짧은 플래시를 손에 넣은 것을 의미한다.

아토초 펄스는 어떻게 만드는가

원자에서 전자는 Coulomb 인력의 포텐셜에 갇혀있다. 이 상태에서 어느 한 방향으로 매우 큰 전기장이 걸리면 Coulomb 인력의 포텐셜이 왜곡되어 안에 있던 전자가 튀어올라 전기장에서 가속되어 원자핵으로부터 멀어져 간다. 만약 그 다음의 전기장이 반대 방향으로 걸리면 이번에는 전자는 감속되어 정지, 그리고 반대 방향으로 가속된 원자핵을 향해 돌진한다. 이러한 전기장은 빛 그 자체이다. 즉, 빛의 진동수로 전기장의 방향이 교대로 바뀌게 된다. 펨토초 펄스광의 강도를 크게 하는 기술이 확립했기 때문에, 이처럼 빛으로 원자의 Coulomb 포텐셜을 왜곡할 정도의 강한 전기장을 만들 수 있게 된 것이다.

반대 방향으로 가속된 전자는 원자핵과 충돌하고 그 순간에 아토초의 광버스트라는 현상이 일어난다. 이것은 가속된 전자가 원자핵과 충돌할 때 빛을 방출하는 과정이며, 이 빛의 진동수는 본래 광전기장 진동수의 30배(홀수 배) 이상이나 된다.

또한 그 빛이 나오는 시간은 100as 정도의 '극'초단 시간이다. 진동수가 10배 이상이므로 파장으로 환산하면 원래 빛이 800nm의 근적외선 영역이라고 하면 80nm보다 짧은 연X선(또는 극단적자외선)이라는 빛이 된다.

본래 빛의 파장이 800nm인 경우 1주기는 2.6fs가 되고, 100fs의 펄스에 40번 정도 광전기장이 진동한다. 이때 아토초 광버스트가 1.3fs마다 나타난다. 이때 생성하는 아토초 펄스는 다수 반복 생성하기 때문에, 아토초 펄스 트레인이라 불린다.

이 펄스 트레인을 사용해도 다양한 재미있는 연구를 할 수 있지만, 역시 하나의 고립된 아토초 펄스를 발생시키고 싶다. 그러기 위해서는 펄스의 원래의 폭을 8fs에서 4fs 정도까지 압축하여, 펄스에 광전기장의 진동이 2~3주기가 되는 짧은 펄스로 할 필요가 있다. 그러면 펄스에서 전기장 강도가 최대가 되는 순간이 1회 또는 2회 정도가 된다. 만약 빛의 전기장의 위상을 고정하여 코사인 함수가 되도록 하면 단일 아토초가 발생한다. 또한 만약 위상을 90도 어긋나게 하여 사인 함수가 되도록 하면 아토초 펄스가 펄스에서 2회 발생한다. 따라서 반송파 포락선 위상이라는 빛의 위상을 고정하는 기술도 중요하다. 지금은 위상 고정 기술도 향상되고 있어 광전기장의 위상을 고정한 펄스를 안정적으로 생성할 수 있게 되고 있다.

앞으로의 전망

아토초 펄스가 안정적으로 생성할 수 있게 된지 얼마 되지 않아, 실제 연구로의 응용이 이제 막 시작단계이다. 또한 아토초 펄스의 강도가 약하기 때문에 펌프 프로브 측정을 위해서는 그 강도를 강화하는 노력이 필요하다. 현재는 아토초 펄스광의 고강도화를 위한 기술 개발이 전 세계적으로 진행되고 있으며, 원자 내의 전자의 움직임이나 분자 내 수소원자의 이동 등 매우 빠르게 일어나는 현상이, 극한으로 짧은 아토초 펄스를 이용하여 저속촬영 사진처럼 관찰되는 날도 가까운 것으로 보인다. 지금 전자와 원자가 만들어내는 화학의 본질이, 시간 영역에서의 관측에 의해 밝혀지려 하고 있다.

출처 참조 번역
超高速化学の展開
http://www.yamanouchi-lab.org/message/110822.html