거의 100년 전에 물리학자 Max Born과 J. Robert Oppenheimer는 양자 역학이 분자에서 어떻게 작동하는지에 대한 가설을 제안했습니다. 이 분자는 원자핵과 전자의 복잡한 시스템으로 구성됩니다. 보른-오펜하이머 근사법은 분자 내의 핵과 전자의 운동이 독립적으로 발생하고 별도로 처리될 수 있다고 가정합니다.

두 개의 백금 원자를 포함하는 분자는 광자를 흡수하여 진동하기 시작합니다. 진동은 분자의 전자 스핀을 뒤집어 시스템이 전자 상태를 동시에 변경하게 하며, 이는 시스템 간 교차로 알려진 현상입니다. 출처: 아르곤 국립 연구소

이 모델은 대부분의 경우에 작동하지만 과학자들은 그 한계를 테스트하고 있습니다. 최근 한 과학자 팀은 이 가정이 극도로 빠른 시간 규모에서 깨지고 원자핵과 전자의 역학 사이의 긴밀한 관계가 드러남을 입증했습니다. 이번 발견은 태양 에너지 전환, 에너지 생산, 양자 정보 과학 등과 같은 분야의 분자 설계에 영향을 미칠 수 있습니다.

미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소, 노스웨스턴대학교, 노스캐롤라이나 주립대학교, 워싱턴대학교의 과학자들로 구성된 연구팀은 최근 Nature와 Angewandte Chemie International Edition에 관련 논문 2편을 발표했습니다.

네이처 논문의 제1저자이자 노스웨스턴 대학의 부연구원인 샤나와즈 라피크(Shahnawaz Rafiq)는 “우리 연구는 초고속 시간 규모에서 분자 내 전자 스핀 역학과 원자핵 진동 역학의 상호작용을 밝혀냈다”고 말했다. "이러한 특성은 독립적으로 처리할 수 없습니다. 서로 혼합되어 복잡한 방식으로 전자 역학에 영향을 줍니다."

분자 내 핵의 운동 변화가 전자의 운동에 영향을 미칠 때 스핀 진동 효과라는 현상이 발생합니다. 분자 내의 핵이 고유한 에너지나 빛과 같은 외부 자극으로 인해 진동할 때 이러한 진동은 전자의 움직임에 영향을 미치고, 이로 인해 자성과 관련된 양자역학적 특성인 분자의 스핀이 변경됩니다.

시스템 간 교차라는 과정에서 여기된 분자나 원자는 전자 스핀의 방향을 뒤집어 전자 상태를 변경합니다. 시스템 간 교차는 광전지 장치, 광촉매, 심지어 생물발광 동물을 포함한 많은 화학 공정에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 교차를 달성하려면 관련 전자 상태 간의 특정 조건과 에너지 차이가 ​​필요합니다.

1960년대부터 과학자들은 스핀-진동 효과가 시스템 간의 교차에서 역할을 할 수 있다는 이론을 세웠지만, 이 현상을 직접 관찰하는 것은 매우 빠른 시간 규모에서 전자, 진동 및 스핀 상태의 변화를 측정하는 것과 관련되어 있기 때문에 어려운 것으로 입증되었습니다.

아르곤 특별 연구원이자 노스웨스턴 대학교 화학 교수이자 두 연구의 공동 교신저자인 Lin Chen은 "우리는 핵과 전자의 움직임을 실시간으로 추적하기 위해 7펨토초 또는 70억분의 1초 정도의 초단 레이저 펄스를 사용하여 스핀 진동 효과가 시스템 간의 교차를 어떻게 유도하는지 보여주었습니다."라고 말했습니다.

스핀-진동 효과와 시스템 간 교차 사이의 상호 작용을 이해하면 분자의 전자 및 스핀 특성을 제어하고 활용하는 새로운 방법을 찾는 것이 가능해집니다.

연구팀은 노스캐롤라이나 주립대학교 교수이자 두 연구의 공동 교신저자인 펠릭스 카스텔라노(Felix Castellano)가 설계한 네 가지 독특한 분자 시스템을 연구했습니다. 각 시스템은 다른 시스템과 유사하지만 제어할 수 있는 구조의 알려진 차이점이 포함되어 있습니다. 이를 통해 연구팀은 시스템 간의 약간 다른 교차 효과와 진동 역학을 활용하여 둘 사이의 관계를 보다 완벽하게 이해할 수 있었습니다.

Castellano는 "이 시스템에서 우리가 설계한 기하학적 변화로 인해 상호 작용하는 전자 여기 상태 사이의 교차점이 서로 다른 에너지와 조건에서 약간 다르게 변경되었습니다. 이는 이러한 교차를 향상시키기 위한 재료 조정 및 설계에 대한 의미를 제공합니다"라고 Castellano는 말했습니다.

진동 운동에 의해 유도되는 분자의 스핀-진동 효과는 분자 내부의 에너지 분포를 변경하고 시스템 간의 교차 확률과 속도를 증가시킵니다. 연구팀은 또한 스핀 발진기 효과의 작동과 분리될 수 없는 주요 중간 전자 상태를 발견했습니다.

워싱턴 대학교 화학 교수이자 에너지부 태평양 북서부 국립 연구소 연구원인 Xiaosong Li는 양자 역학 계산을 통해 이러한 결과를 예측하고 뒷받침했습니다. Angewandte Chemie 국제판에 게재된 연구 저자 중 한 명인 Li Xiaosong은 "이 실험은 실시간으로 매우 명확하고 아름다운 화학 반응을 보여 주었으며 이는 우리의 예측과 일치했습니다"라고 말했습니다.

실험을 통해 밝혀진 통찰력은 이 강력한 양자역학적 관계를 사용하여 분자를 설계하는 데 있어 한 단계 더 발전했음을 나타냅니다. 이는 태양전지, 더 나은 전자 디스플레이, 심지어 가벼운 물질 상호작용에 의존하는 의료 치료에도 특히 유용할 수 있습니다.