연구성과

물리 송창용 교수팀, “빠른 빛으로 물질의 융해를 새롭게 바꾸다” 초고속 융해의 신비

2024-05-17 279

[POSTECH 송창용 교수팀, 광(光) 유도 비평형 융해의 뒤집어진 핵 생성 관측]

물리학과 송창용 교수 · 통합과정 황준하 씨, 화학과 임영옥 연구부교수 연구팀은 초고속 광 유도 융해과정에서 일어나는 독특한 현상을 관측하고, 초고속 융해를 이해를 위한 연구 기반을 구축했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

물질이 고체에서 액체로 변하는 융해 현상은 우리 주변에서 일어나는 가장 보편적인 상 변이 현상 중 하나다. 하지만 이러한 보편적인 현상이 극한의 짧은 시간에서 일어나면 융해는 기존과 다른 새로운 특성을 나타낸다. 강력한 초고속 레이저를 물질에 가하면 피코초(ps, 10-12초) 수준의 시간에서 융해가 일어나는 ‘초고속 광 유도 융해 현상’이 발생한다. 레이저 에너지는 주로 전자로 흡수되어 이 현상은 전자와 이온의 강한 비평형 상태에서 진행되는데, 이를 이해하기 위해서는 물질 내부의 전자와 이온 간에서 빠르게 일어나는 에너지 전달에 의한 동역학적 변화를 파악해야 한다.

이번 연구에서 연구팀은 초고속 광 유도 비평형 융해 현상을 연구하기 위해 포항가속기연구소 엑스선 자유전자레이저(PAL-XFEL)를 사용한 ‘단일 펄스 시분해 결맞는 회절 이미징(sinlge-pulse time-resolved coherent diffraction imaging)*1’을 이용했다. 이 기술은 펨토초(fs, 10-15초) 간격으로 레이저와 X-선을 조사해 물질의 내부 구조 변화를 추적하는 방법이다. 레이저가 물질의 초고속 융해를 유도하고 그 직후의 X-선에 의한 회절 신호로부터 물체의 구조적 정보를 얻는 것이다.

연구팀은 이 기술을 이용해 금(Au) 나노입자들이 융해될 때 내부의 밀도 분포를 시각화한 후, 이온도(two-temperature) 분자 동역학 시뮬레이션으로 실험 결과를 분석했다. 분석 결과를 바탕으로 연구팀은 빛에 의해 활성화된 전자의 에너지를 전달받은 이온들이 피코초 동안 기가 파스칼(GPa) 수준의 강력한 압력을 만들어 물질 용융 과정을 제어한다는 사실을 밝혀냈다.

특히, 높은 에너지와 빠른 환경 변화로 인해 초고속 비평형 융해는 물질 내부 비어있는 공간이 핵(중심)처럼 자라 나는 ‘뒤집힌 핵 형성 과정’을 수반한다는 사실을 확인했다. 이처럼 비어있는 공간의 형성은 일반적인 융해 현상에서는 발견되지 않는 현상으로 광유도 초고속 비평형 융해의 극한환경에서만 발생한다. 또한, 연구팀은 레이저의 편광과 세기가 공간의 변화 양상을 조절한다는 사실도 확인했다. 레이저의 편광은 공간 생성 위치를 조절하며, 레이저의 세기는 공간의 생성 분포를 결정했다.


송창용 교수는 “이번 연구를 통해 광 유도 비평형 융해 현상에서 새롭게 일어나는 ‘뒤집힌 핵 형성 과정’을 직접 관측하고 해석했다”며, “관측 및 분석 결과는 광 유도 초고속 비평형 융해 현상을 이해하기 위한 지식기반 구축에 기여할 것”이라는 기대를 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 나노소재기술개발사업과 중견연구자 지원사업, 방사광가속기공동이용연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adl6409


1. 결맞는 회절 이미징 (coherent diffraction imaging)
물질의 결맞는 회절 무늬를 측정하여 위상복원 알고리즘을 통하여 해당 물질의 전자밀도를 이미징 할 수 있는 영상 기법.