10-18초 영역의 엑스선 펄스 생성으로 연구 가능성 확대

국내 연구진이 아토초 영역의 엑스선 펄스를 생성하는데 성공하여 원자 내부의 전자 움직임 등 자연계에 존재하는 초고속 현상 측정과 연구에 전기가 될 것으로 기대된다.

과학기술부의 창의적 연구진흥사업을 수행하고 있는 한국과학기술원 물리학과 남창희(南昌熙, 51세) 교수와 김경택(金坰澤, 34세) 박사팀은 아토초 엑스선 펄스(1아토초=10-18초)를 생성하고, 이를 아토초 발생 원자가 가진 고유의 성질을 이용, 더욱 압축 함으로써 매우 짧은 아토초 펄스를 생성하는 방법을 개발하였고 동 기술을 적용하여 펄스폭이 200 아토초에 불과한 펄스를 생성하는데 성공하였다.

자연계의 초고속 현상을 측정하려면 그 현상이 일어나는 시간보다 더 짧은 측정수단이 필요하다. 예를 들어, 전자가 수소 원자를 한 바퀴 공전하는 주기는 150아토초에 불과한데, 이러한 자연계의 초고속 현상 연구를 위해서는 아토초 영역의 펄스가 필요한 것이다.

이러한 초고속 현상의 연구를 위해, 아토초 펄스를 만들고자 매우 강한 펨토초(1펨토초=10-15초) 레이저를 원자에 집속하고 이때 발생하는 엑스선을 이용하고 있는데 기존의 기술로는 파장에 따라 엑스선 발생시간이 달라져서, 엑스선의 펄스폭이 만들 수 있는 최소 펄스폭보다 훨씬 길게 나타나 초고속 현상의 측정이 어려워진다.

남 교수팀은 엑스선을 발생시키는 매질인 아르곤 원자가 갖는 고유의 분산특성을 이용하여 파장에 따른 퍼짐 현상을 상쇄하는 자체 펄스 압축 방법을 개발하였다. 파장에 따라 다른 시간에 발생하는 엑스선을 적절한 분산특성이 있는 물질에 투과시켜 퍼짐을 상쇄할 수 있게 된 것이다. 이러한 방법은 일반적으로 펨토초 레이저 펄스의 퍼짐 현상을 제어하고자 사용되고 있으나, 엑스선 영역에서는 물질의 낮은 투과율 때문에 적용이 쉽지 않았다. 남교수팀은 엑스선을 발생시키는 매질을 압축 매질로서 사용함으로써 더욱 강하면서 짧은 펄스를 얻는 방법을 개발하여 이러한 문제를 해결하였다.

남 교수팀은 본 연구 결과를 통해 앞으로 100아토초 미만의 펄스를 만드는 것이 가능해졌으며, 이는 원자 내부의 전자 움직임을 관찰하는 것과 같은 자연계에 나타나는 초고속 현상 연구에 크게 이바지할 것이며, 궁극적으로는 원자상태를 제어하는 방법을 제공하는데도 기여하게 될 것이라고 밝혔다.

이 연구 결과는 물리학분야 최고 국제학술지인 '피지컬 리뷰 레터스'지 11월 23일자에 게재되었다.

2007. 12. 5

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