연구성과

첨단원자력 김동언 교수팀, 초고속 이미징 기술 한계를 극복하고, 새로운 지평을 열다

2024-06-12 307

[POSTECH·MPK·우한연구소, 단일 주기 펄스로 전자 홀로그램 패턴 추출 및 조작 성공]

생물체를 이루는 세포나 분자 간 상호작용 메커니즘을 밝히거나 신소재를 개발하기 위해 물질의 구조 분석하는 연구는 원자 규모에서 진행된다. 이때, 미세한 변화를 거의 실시간으로 관찰할 수 있는 초고속 이미징 기술이 필수적인데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) 김동언 교수팀이 기존 초고속 이미징 기술의 한계를 극복하고, 새로운 이정표를 제시했다.


첨단원자력공학부 김동언 교수(前 POSTECH 물리학 교수 · 막스플랑크 한국 · 포스텍연구소 아토초과학기술연구소 소장)는 중국과학원 소속 우한 물리수학연구소 라이(Lai) 교수팀과의 공동 연구를 통해 단일 주기 펄스로 광전자 홀로그램 패턴을 추출하고 조작하는 데 성공했다. 이번 연구는 국제 저명 학술지인 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’ 5월호에 게재됐다.

‘강한 전자기장 광전자 홀로그래피(strong-field photoelectron holography, 이하 SFPEH)’는 초고속 원자 · 분자 구조 이미징 기법 중 하나로 강한 전자기장에 의해 입자에서 방출된 광전자를 이용해 입자 구조를 홀로그램으로 구현한다. 기존 전자나 X선 회절에 비해 시간적 · 공간적 해상도가 뛰어나 훨씬 더 세밀하고 정확한 정보를 제공한다. 그러나 지금까지 SFPEH는 다주기 전자기장(multicycle field)을 사용해 주기 간 간섭 현상으로 데이터 해석과 연구 결과의 신뢰성이 떨어졌다.

이러한 간섭 문제를 해결하려면 주기 간 간섭현상이 없는 단일 주기 레이저 펄스를 사용해야 한다. 그러나, 단일 주기 펄스를 생성하고, 이를 정밀하게 유지하는 것은 기술적으로 매우 어려운 과제다. 김동언 교수는 이번 연구에서 최첨단 레이저 기술과 초고속 연구 시스템을 바탕으로 단일 주기 전자기장을 이용해 광전자 홀로그램을 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 캐리어-봉투 위상(Carrier-Envelope Phase, CEP)*1이 안정화된 단일 주기에 가까운 레이저 펄스를 생성하여 활용함으로써, 그동안 홀로그램을 흐릿하게 만들었던 주기 간 간섭 효과를 줄이고, 기존보다 더 명확하고, 선명하게 구현했다. 기본 패턴으로 알려진 ‘거미 다리’와 ‘물고기 뼈’ 형태를 각각 따로 명확하게 관찰하고 조작하는 데 성공했다. 이 두 패턴은 각각 전자의 움직임과 분자 구조에 대한 정보를 포함하고 있다.

또한, 연구팀은 ‘시간 의존 슈뢰딩거 방정식 시뮬레이션*2’을 통해 실험 결과를 이론적으로 분석하고 검증했다. 그리고, 이를 통해 홀로그램에 대한 구이 위상(Gouy phase) 효과*3와 분자 구조 분석에도 성공하며, 홀로그램 패턴에서 표적 분자의 핵 사이의 거리와 위치를 정확하게 측정하는 새로운 가능성을 제시했다.


김동언 교수는 “이러한 패턴을 직접적으로 관찰한 것은 이번 연구가 처음”이라며, “여러 측정이 필요한 이전 방법보다 오히려 간단하지만, 이 새로운 접근 방식으로 아토초 단위(아토초는10억분의10억분의1초)로 전자의 행동을 제어할 수 있다”고 했다. 또한, “다른 기술과 결합해 화학과 생물학, 재료 과학 등 다양한 분야 연구에서 분자 역학을 연구하고 반응을 제어하는 데 큰 도움이 되기를 바란다”라는 말을 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01457-7


1. 캐리어-봉투 위상(Carrier-Envelope Phase, CEP)
레이저 펄스의 전자기파 캐리어와 그 봉투(envelope) 간의 상대적 위상을 정확하게 제어하는 기술이다. 이 안정화가 이루어지면, 펄스내 전기장의 형태가 매우 일정하게 유지된다.

2. 시간 의존 슈뢰딩거 방정식 시뮬레이션(Time-Dependent Schrödinger Equation, TDSE)
양자 역학에서 시간에 따른 파동함수의 변화를 설명하는 방정식이다. 일반적인 슈뢰딩거 방정식이 정적인 상태에서의 파동함수를 다루는 반면, TDSE는 시간에 따라 파동함수가 어떻게 변화하는지를 설명한다.

3. 구이 위상(Gouy phase) 효과
광학 현상 중 하나로, 광선이 초점을 통과할 때 위상이 변하는 현상이다.