2023년 노벨 물리학상은 아토초 광 펄스를 사용한 연구로 전자의 빠른 운동에 대한 연구에 혁명을 일으키고 물리학 및 화학의 다양한 분야에 대한 이해를 넓힌 세 명의 연구자에게 수여됩니다. 세 명의 연구자로 구성된 팀이 아토초 길이의 섬광으로 분자를 밝히는 등 과학자들이 전자를 연구하는 방식에 혁명을 일으킨 공로로 2023년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그러나 아토초의 길이는 얼마나 되며, 이 극소량의 짧은 펄스는 연구자들에게 물질의 특성에 대해 무엇을 알려줄 수 있습니까?
나는 물리화학 대학원생이었을 때 처음으로 이 연구 분야를 배웠습니다. 내 박사 지도교수의 연구 그룹에서는 아토초 펄스를 사용하여 화학 반응을 연구하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 아토초 연구가 과학계에서 가장 권위 있는 상을 받은 이유를 이해하기 전에, 먼저 아토초 펄스광이 무엇인지부터 이해해 봅시다.
아토초는 얼마나 되나요?
"Ato"는 10-18, 즉 소수점 뒤에 17개의 0과 1이 오는 과학 표기법의 접두사입니다. 따라서 1아토초, 즉 0.00000000000001초 동안 지속되는 플래시는 매우 짧은 빛의 펄스입니다. 실제로 1초의 아토초 수는 우주 나이의 초 수와 같습니다.
이전에 과학자들은 펨토초(10-15) 빛 펄스를 사용하여 더 무겁고 느리게 움직이는 핵의 움직임을 연구할 수 있었습니다. 1000아토초는 1펨토초와 같습니다. 그러나 아토초 광 펄스가 생성될 때까지 연구자들은 전자 규모의 움직임을 볼 수 없습니다. 과학자들이 펨토초 수준에서 움직임을 정확하게 해결하기에는 전자가 너무 빠르게 움직입니다.
아토초 펄스
원자와 분자 내 전자의 재배열은 물리학의 많은 과정을 안내하며 실제로 화학의 모든 부분의 기초입니다. 그래서 연구자들은 전자가 어떻게 이동하고 재배열되는지 알아내기 위해 많은 노력을 기울였습니다.
그러나 전자는 물리적, 화학적 과정에서 매우 빠르게 이동하므로 연구하기가 어렵습니다. 이러한 과정을 연구하기 위해 과학자들은 물질이 빛을 흡수하거나 방출하는 방법을 연구하는 방법인 분광학을 사용합니다. 실시간으로 전자를 추적하려면 연구자들은 전자가 재배열되는 데 걸리는 시간보다 짧은 빛의 펄스가 필요합니다.
비유하자면, 더 긴 노출(약 1초)만 촬영할 수 있는 카메라를 상상해 보십시오. 카메라를 향해 달려가는 사람이나 하늘을 가로질러 날아가는 새 등 움직이는 물체는 촬영된 사진에서 흐릿하게 나타나 무슨 일이 일어나고 있는지 확인하기 어렵습니다. 그런 다음 1밀리초 노출을 사용하는 카메라를 상상해 보세요. 이제 이전에는 뚜렷하지 않았던 움직임이 선명하고 정확한 스냅샷으로 잘 해결됩니다. 이것이 펨토초 규모가 아닌 아토초 규모를 사용하여 전자 동작을 밝히는 방법입니다.
아토초 연구
그렇다면 아토초 펄스가 어떤 연구 질문에 답하는 데 도움이 될까요?
첫째, 화학 결합의 파괴는 두 원자 사이에 공유된 전자가 결합되지 않은 원자로 분리되는 자연의 근본적인 과정입니다. 이 과정에서 이전에 공유된 전자는 초고속 변화를 겪으며, 아토초 펄스를 통해 연구자들은 실시간으로 화학 결합이 끊어지는 것을 추적할 수 있습니다.
아토초 펄스를 생성하는 능력(세 명의 연구원이 2023년 노벨 물리학상을 수상한 연구)은 2000년대 초반에 처음으로 가능해졌으며 그 이후로 이 분야는 계속해서 빠르게 발전해 왔습니다. 아토초 분광학은 원자와 분자의 더 짧은 스냅샷을 제공함으로써 연구자들이 전자 전하가 이동하는 방식과 원자 사이의 화학 결합이 끊어지는 방식과 같은 단일 분자 내 전자의 동작을 이해하는 데 도움이 됩니다.
더 큰 규모로 아토초 기술은 액체 물의 전자 거동과 고체 반도체의 전자 이동을 연구하는 데에도 사용됩니다. 연구자들이 아토초 빛 펄스를 생성하는 능력을 지속적으로 향상시키면서 물질을 구성하는 기본 입자에 대해 더 깊이 이해하게 될 것입니다.
저자: Aaron W. Harrison, Austin College 화학과 조교수.