[헤럴드경제=이정아 기자] 분자 내의 전자 궤도를 1000조분의 1초 단위로 볼 수 있는 기술이 개발됐다. 이른바 ‘2차원 고차조화파 분광법’인 이 기술은 원자나 분자가 결합하거나 분해될 때 각각의 전자들이 어떤 상호 영향을 미치는지 그 과정과 원리를 알 수 있게 됐다.

기초과학연구원(IBS) 연구팀이 분자가 지닌 다양한 전자 궤도를 관측할 수 있는 기술을 개발했다. 예컨대 수소 분자와 산소 분자가 결합돼 생성되는 물 분자가 H2O의 구조를 이루는 과정에서 각 전자의 역할을 이해할 수 있다는 의미다.

연구팀은 펨토초(1000조분의 1초)의 시간 단위에서 발생하는 분자의 운동 상태를 관찰하기 위해 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 만들었다. 고차조화파는 원자 또는 분자가 강력한 레이저에 노출됐을 때 발생되는 빛이다. 

2차원 고차조화파 분광법의 모식도(IBS 제공)

강한 레이저장이 원자를 이온화시키면 원자에서 탈출한 전자가 다시 원자와 재결합하는 과정에서 여러 주파수의 형태로 나타난다. 연구팀은 강력한 초고속의 펨토초 레이저를 활용해 고차조화파를 발생시켜 카메라로 사진을 찍듯이 시간에 따른 분자 내 다중 전자 궤도의 변화를 관측할 수 있었다.

지금까지 전자 궤도 연구는 분자에 가하는 펨토초 레이저의 편광방향에만 의존하는 1차원적 연구였다. 이 방법으로는 다중 전자 궤도로부터 발생하는 신호를 분해할 수 없었기 때문에 특정 전자 궤도를 정밀하게 관측하는데 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 2차원 고차조화파 분광법은 다중 전자 궤도의 특성을 파악할 수 있는 새로운 관측 기술로, 화학 반응 과정을 초고속·초정밀로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.

남창희 IBS 초강력레이저과학연구단 단장은 “기존 고차조화파 분광법의 한계를 뛰어넘는 독창적이고 창의적 성과”라며 “분자의 다중 궤도를 관측할 수 있는 방법을 제시해 초고속 분자물리학 분야의 새 지평을 열었다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구 성과는 물리학 분야​ 전문학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 지난달 14일자 온라인판에 ​​게재됐다.

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