요약:
유럽 XFEL(European XFEL) 연구팀은 약 300아토초에 불과한 초단거리 하드 엑스레이 플래시 생성에 성공했으며, 이러한 펄스의 강도와 에너지 밀도 측면에서 세계 기록을 세웠다고 발표했습니다. 이 결과는 과학자들이 전례 없는 정밀도로 원자와 분자 내부의 전자의 동적 거동을 관찰하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다. 관련 연구 결과가 'Optica'에 게재되었습니다.
과학자들은 오랫동안 원자와 분자 내 전자의 움직임을 이해하여 화학 반응을 더 깊이 이해하고 미래에는 전자 행동을 능동적으로 제어할 수 있기를 희망해 왔습니다. X선은 전자의 움직임을 연구하는 중요한 도구이지만 고에너지 방사선 자체도 테스트 중인 샘플을 변화시킬 수 있으므로 연구자는 샘플에서 눈에 띄는 변화가 발생하기 전에 충분한 정보를 얻어야 합니다.
이 실험에서 연구팀은 일반 인간 머리카락 단면의 약 10만분의 1에 불과한 극히 작은 영역에 X선 펄스를 집중시켰습니다. 각 펄스는 약 300아토초 동안 지속되며 이는 10억분의 1초에 불과합니다. 실험은 2026년 4월 유럽 XFEL 시설의 MID 실험 스테이션에서 매우 짧은 파장의 하드 X선을 사용하여 완료되었습니다.
이 연구에 참여한 독일 전자 싱크로트론 센터(DESY)의 과학자 Yan Jiawei는 팀이 몇 년 전에 테라와트 수준의 하드 X선 아토초 펄스를 시연했지만 강력한 펄스를 생성하는 것은 첫 번째 단계에 불과하다고 말했습니다. 정말 중요한 것은 이 에너지를 실험 시료에 효과적으로 전달할 수 있느냐는 것이다. 이 획기적인 발전을 통해 과학자들은 아토초 수준의 X선을 사용하여 X선과 물질 사이의 고도로 비선형적인 상호 작용을 연구할 수 있게 되었습니다.
극단적인 포커싱을 달성하기 위해 연구원들은 일본의 고급 Kirkpatrick-Baez 광학 시스템(AKB)을 사용했습니다. 각 X선 펄스는 4번의 반사를 거치며, 두 개의 초정밀 거울은 각각 수직 및 수평 초점을 담당합니다. 궁극적으로 X선은 180 x 330 나노미터에 불과한 작은 초점 영역으로 압축됩니다.
펄스 에너지, 지속 시간, 초점 크기 계산을 토대로 연구팀은 최대 강도가 제곱센티미터당 10²⁰W를 초과하는 것으로 추정했습니다. 도쿄대학교 이치로 이노우에 연구원은 이번 결과가 강도와 에너지 플럭스 측면에서 하드 X선 아토초 펄스의 세계 기록을 깨뜨렸다고 말했습니다. 그 중 에너지 플럭스는 단위 면적당 받는 에너지를 측정하는 데 사용되며, 강도는 이 에너지가 얼마나 빨리 방출되는지를 더 반영합니다.
이 계산을 검증하기 위해 연구원들은 이러한 초강력 펄스를 구리 호일 샘플에 조사했습니다. X-선은 구리 원자의 깊은 내부 껍질에서 전자를 녹아웃시켜 전자 공극을 형성합니다. 다른 전자가 이러한 빈 공간을 채울 때 새로운 X선 방사선이 방출됩니다. 충분히 높은 강도에서 이러한 방사선은 다른 여기된 구리 원자가 동일한 방향으로 더 많은 X선을 방출하도록 유도하여 증폭 자연 방출(ASE)이라는 현상을 생성하여 신호 증폭을 달성할 수 있습니다.
MID 실험소장인 앤더스 매드슨(Anders Madsen)은 이 현상을 관찰하는 것이 거의 마술처럼 느껴졌다고 말했습니다. 일반 형광은 입사 광선의 방향에 관계없이 모든 방향으로 방출됩니다. ASE 임계값을 초과하면 연구원들은 빔이 점차적으로 줄어들고 전방으로 집중되는 것을 명확하게 볼 수 있습니다.
실험 결과에 따르면 펄스 에너지가 증가함에 따라 ASE 신호는 처음에는 급격히 증가하다가 더 높은 에너지에서 포화되는 경향이 있습니다. 연구진은 이러한 포화 현상이 극히 높은 X선 강도에서만 발생하므로 이전에 계산된 초고강도에 대한 독립적인 검증을 제공한다고 지적했습니다.
유럽 XFEL은 2027년 초에 자체 AKB 포커싱 시스템을 받아 설치할 계획입니다. 연구원들은 시스템이 설치되고 디버깅된 후 전 세계의 과학 연구팀이 MID 실험 스테이션을 사용하여 동일하고 짧고 강력한 X선 플래시를 얻을 수 있게 되어 초고속 물리학, 재료 과학, 화학 반응 동역학 및 비선형 X선 과학 연구에 새로운 가능성을 열어줄 것이라고 말했습니다.
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