이젠 분자 수준에서 일어나는 현상도 제어한다 [지금은 과학] 작성일 03-07 166 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">GIST 등 국제연구팀, 단일 분자의 양자 상태 실시간 제어 성공</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="3VlGwSTNhP"> <p contents-hash="731dd29d0ac1631e78d92c2c472c69b701c8c19d23c299d801def350e970f9ab" dmcf-pid="0fSHrvyjh6" dmcf-ptype="general">[아이뉴스24 정종오 기자] 인류의 미시적 과학 연구는 어디까지 이어질까.</p> <p contents-hash="ef590df707e0654a38bbabf7fa7b5e199ba7cd6d833c229a5d5426e2b5bc3cb3" dmcf-pid="p4vXmTWAl8" dmcf-ptype="general">국제연구팀이 1조분의 1초의 ‘찰나’ 순간에 일어나는 단일 분자의 양자 상태를 실시간 제어하는 데 성공했다. 눈에 보이지도 않는 분자를 인류가 제어할 수 있다는 이야기이다.</p> <p contents-hash="3be2ada81a98df97f1ad78c24b575fefd1381f728b91503de449d355724256bd" dmcf-pid="U8TZsyYcv4" dmcf-ptype="general">머리카락보다 얇은 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1미터) 크기의 물질을 시각화해 관찰할 수 있는 주사터널현미경(STM)과 피코초(ps, 1ps는 1조분의 1초) 단위의 매우 짧은 시간 스케일을 가진 테라헤르츠(THz) 광을 결합해 분자 수준에서 발생하는 에너지 변환과 화학 반응을 실시간으로 제어하는 기술이 한일 공동 연구를 통해 개발됐다.</p> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="6be5c495fcbc2ee4017f78e874d8b69ee807111d9c00b815d956b37ce4accde5" dmcf-pid="u6y5OWGklf" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt=". [사진=GIST]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202503/07/inews24/20250307040006453rblp.jpg" data-org-width="580" dmcf-mid="FdpbXU7vlQ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202503/07/inews24/20250307040006453rblp.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> . [사진=GIST] </figcaption> </figure> <p contents-hash="abf6ed1f32ac526a256f12c61622c072acdfafb67f10a7aa6b8fa3e5f4b923d9" dmcf-pid="7PW1IYHEyV" dmcf-ptype="general">광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 화학과 김유수(기초과학연구원 양자변환연구단장)·이마다 히로시 교수가 일본 이화학연구소(RIKEN), 요코하마국립대, 도쿄대, 하마마츠포토닉스(Hamamatsu Photonics K.K.), 울산대와 함께 분자 수준에서 일어나는 현상을 실시간 초고속으로 관측·제어할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 발표했다.</p> <p contents-hash="3e661151ddaf1159658ac2c9ffcf8a37dfafccae37b9b3579e6ef6c2b85e6e7c" dmcf-pid="zHnAQLg2h2" dmcf-ptype="general">분자와 전극 사이에서 전하가 이동하는 현상(전하 교환)은 유기 소자나 촉매 표면에서 발생하는 화학 반응 등에서 나타나는 기본적 분자 과학 현상 중 하나이다.</p> <p contents-hash="785647d0e3826ccd4a1a193374f87d50e62817845a1b05a86a27e522a50f56fc" dmcf-pid="qXLcxoaVh9" dmcf-ptype="general">이러한 전하 이동 과정에서는 전하 상태나 여기자(음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 정공이 공존하는 준양자 상태)와 같은 과도적 중간 상태가 형성된다. 이 상태들은 수명이 피코초(ps, 1ps는 1조분의 1초) 수준으로 매우 짧다. 찰나다. 그 특성을 조사하기 위해서는 초고속으로 전하를 제어하는 것이 필요하다.</p> <p contents-hash="0b9edb55662f3afaf6327f82c544a1bc96500254a4cb673dcdad8a2a559103d8" dmcf-pid="BZokMgNflK" dmcf-ptype="general">최근 광학 기술이 발전하면서 피코초 단위의 짧은 시간 폭을 가진 테라헤르츠(THz) 영역의 광 펄스를 사용해 초고속 전하 제어가 가능해졌다. 테라헤르츠(THz) 펄스를 주사 터널 현미경(STM)과 결합함으로써 나노미터(nm) 수준에서 물질에 전하를 주입할 수 있게 됐다.</p> <p contents-hash="ea7deb165b65eda7137756cea8b5ab95e1b558ad4a276c7a7baebc8f72ef2f62" dmcf-pid="b5gERaj4hb" dmcf-ptype="general">기존의 THz-STM은 전하 조작에 따른 전류만 측정할 수 있어, 분자에 전하를 주입했을 때 일어나는 분자 상태의 변화를 조사하는 데 한계가 있었다.</p> <p contents-hash="8efc901e4bdce8ff92d5bda6b604418a73586159836424215f266375a9475ced" dmcf-pid="K1aDeNA8yB" dmcf-ptype="general">연구팀은 STM에 광학 기술을 결합한 장치(광학 STM)를 개발해 단일 분자 수준에서 다양한 양자 현상을 보다 정밀하게 관측하는 데 성공했다.</p> <p contents-hash="1aa9dfb41ad43940ee85f4fb02f9e293552a6ffd23227714e7a4948a6cec0a77" dmcf-pid="9tNwdjc6Wq" dmcf-ptype="general">연구팀은 광학 STM과 THz 펄스를 결합한 THz-광학 STM 장치를 이용해 중심에 팔라듐(Pd) 원자가 포함된 Pd 프탈로시아닌 단일 분자를 대상으로 실험을 진행했다.</p> <p contents-hash="988174a55e73cf7bcbf51e7108bd40a1713529fd46b84dddeec24f34aad0737f" dmcf-pid="2FjrJAkPvz" dmcf-ptype="general">연구팀은 THz 펄스를 STM에 조사해 660nm 근처의 파장 대역에서 분자의 발광을 검출할 수 있었다. 이 결과는 Pd 프탈로시아닌 분자의 프론티어 궤도(HOMO와 LUMO)에 전하가 주입되면서 여기자가 형성됐다. 발광이 발생했음을 의미한다.</p> <p contents-hash="d3103edca4ebe0f71bc440b3d7b5ca1ab4a093a4bad5ec9d72192efd175b6a5c" dmcf-pid="V3AmicEQv7" dmcf-ptype="general">발광을 측정하는 동안 전류도 함께 측정한 결과 전류가 거의 흐르지 않았다. 이는 STM 탐침과 분자 사이에서만 전하가 교환됐으며 분자를 통과하는 순전류가 거의 없었음을 가리킨다.</p> <p contents-hash="b86eff5acebc078259cfc0948a7562244e3b06a57dc81542f5a187b5fc0e791d" dmcf-pid="f0csnkDxlu" dmcf-ptype="general">연구팀은 이어 THz 펄스의 파형을 변화시켰을 때 발광 현상이 어떻게 변화하는지 조사했다. THz 펄스의 파형은 캐리어 엔벨로프 위상(광 펄스의 포락선(엔벨로프)에 대한 광 전기장 진동(캐리어)의 위상)이라는 물리량으로 표현할 수 있다.</p> <p contents-hash="c94109486445329f067ac53124439ef129b48c2bd7198bd705947cc1cf92c593" dmcf-pid="4w9PU2f5CU" dmcf-ptype="general">연구팀은 캐리어 엔벨로프 위상을 변화시킬 수 있는 광학 소자인 ‘THz 위상 쉬프터’를 개발해 THz 펄스의 파형을 제어했다. 캐리어 엔벨로프 위상을 변화시키면서 분자에서 방출되는 발광 강도를 측정한 결과, THz 펄스의 파형이 달라짐에 따라 발광 강도가 변하는 것을 관찰할 수 있었다.</p> <p contents-hash="e2f5646625ea71504f45a2523f6e61be07ccf106c59f1640da62d02f0fae2540" dmcf-pid="8r2QuV41yp" dmcf-ptype="general">위상이 210° 근처일 때 발광 강도가 최대에 이르는 것으로 나타났다.</p> <p contents-hash="d823d11acc67e2d8121ef1c33877ff4f074943f9546cdd73e7bc956e031f3adf" dmcf-pid="6mVx7f8tv0" dmcf-ptype="general">연구팀은 이러한 연구 결과를 바탕으로 THz 펄스를 이용한 초고속이면서도 연속적 전하 주입을 통해 분자의 상태를 제어하고 여기자를 형성할 수 있다는 결론을 내렸다.</p> <p contents-hash="5d18475388bba3f033e17fd7b9fc3e7d4082fa928200ebd7479324bda6a27de7" dmcf-pid="PsfMz46FS3" dmcf-ptype="general">김유수 교수는 “이번 연구를 통해 THz 펄스와 광학 STM을 결합해 극한의 시공간 분해능으로 분자의 양자 상태를 측정하고 제어하는 방법을 확립했다”며 “이번에는 분자에서 방출된 빛을 검출하는 데 그쳤는데 다른 레이저 광원과 결합하면 라만 산란 현상이나 광발광 등 다양한 광학 현상을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 길을 열게 될 것”이라고 말했다.</p> <p contents-hash="d3761d927cddba017f9cff5aaa0d70d12974ac64058a08f6ce85067c919bb0d3" dmcf-pid="QO4Rq8P3lF" dmcf-ptype="general">이번 연구 성과(논문명: Ultrafast on-demand exciton formation in a single-molecule junction by tailored terahertz pulses)는 국제 과학저널 사이언스(Science)에 3월 7일자로 실렸다.</p> <address contents-hash="3ab555b4da353222c57a026c3a0bb5965c28dc69d906522f445f6672b0fe923b" dmcf-pid="xI8eB6Q0lt" dmcf-ptype="general">/정종오 기자<span>(ikokid@inews24.com)</span> </address> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 아이뉴스24. 무단전재 및 재배포 금지.</p> 관련자료 이전 하이파이유니콘, 5월 국내 첫 단독 콘서트 '비트 잇 비트 잇' 개최 03-07 다음 “韓日 과학자 일냈다” ‘빛’ 활용, 분자 양자상태 실시간 제어…‘사이언스’ 게재 03-07 댓글 0 등록된 댓글이 없습니다. 로그인한 회원만 댓글 등록이 가능합니다.
