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I T / 전자전기

번호 : 1083 작성자 : master  쪽지보내기 작성일 : 2012-01-24 조회수 : 1797
제목 :

전자의 움직임이 100 아토초 수준으로 발생할 때의 움직임에 대한 이미지를 찍는 것이 가능

최근 독일 자유-전자 레이저 연구 센터(Center for Free-Electron Laser Science (CFEL)) 및 MIT 연구진은 세계에서 가장 정밀한 메트로놈(metronome)을 제작하였는데, 이를 통해 분자 및 원자 영역에 대한 슬로우 모션 이미지를 취할 수 있었다. 광학 플라이휠로 동작하는 극초단 펄스 레이저(ultrashort pulse laser)인 메트로놈은 극히 짧은 시간 수준에서 현재 가장 정밀한 클럭 생성기(clock generator)이다.

레이저 비트의 정확도는 10 아토초이다. 원자 시계는 보다 긴 시간 수준에서 보다 높은 정밀도를 갖는다. 이와 같이 정확한 레이저 비트를 이용하면 분자 및 원자에서 전자의 움직임이 100 아토초 수준으로 발생할 때의 움직임에 대한 이미지를 찍는 것이 가능하다. 이는 수소 핵을 선회하거나 혹은 광합성동안 분자를 통해 전하가 이동하는데 필요한 시간에 해당한다. 소위 자유 전자 레이저로 불리는 새로운 광원을 이용함으로써 위와 같은 프로세스에 대해 근본적으로 새로운 통찰력을 얻을 수 있을 것이다.

자유 전자 레이저는 극히 짧고 강력한 자외선 혹은 X-선을 생성한다. 이러한 극히 짧은 파장의 광펄스를 이용하면 단일 분자 및 원자의 순간적인 사진을 찍을 수 있다. 하지만, 광펄스가 갖고 있는 강력한 에너지는 시료를 파괴한다.

따라서, 분자 프로세스의 슬로우 모션 영화를 생성하기 위해선 시료 하나에 대해서 동일 프로세스를 반복적으로 일정한 간격을 두고 확인해야만 한다. 그러나 각 촬영 때마다 동일한 간격으로 노출 시간을 어떻게 신뢰적으로 조절할 수 있을까? 이는 클럭 생성기로 사용되는 광학 레이저를 이용하여 가능하다. 이러한 레이저 내에서 광펄스는 거울 중 하나를 통해 부분적으로 전송된 펄스로 두 거울 사이에 진동하게 된다.

이러한 프로세스는 한 프로세스의 시작과 X-선에 노출될 때까지 자유 전자 레이저의 모든 성분을 동조화하는데 사용되는 펄스 열차(pulse train)를 생성한다. 광학 레이저 펄스는 클럭 생성기 내에서 꾸준히 진동하기 때문에 종종 광학 플라이휠이라고 불린다. 역학에서 플라이휠은 일정한 움직임을 안정화하기 위해 다른 요소들 사에 사용되는 것이다. 하지만, 이러한 광학 플라이휠이 얼마나 정확하게 구동되는지에 대해선 최근까지 불명확하였었다. 즉, 이는 보다 정밀한 도구로만 직접 측정될 수 있기 때문이다.

한편 연구진은 두 개의 가장 정확한 레이저 클럭 생성기를 비교하였다. 이를 통해 두 디바이스간의 평균 오류가 측정될 수 있었다. 두 기기가 완벽할 정도로 정밀하다고 가정하면 두 기기는 적어도 1 천번의 레이저 펄스에 대해 10 아토초로 동일한 스트로크를 유지할 것이다. 따라서, 자유 전자 레이저의 현재 수준보다 1천 배 정확한 동조화가 가능하다.

연구진은 극한의 정밀성이 마이크로초 시간 수준에서도 안정하다고 보고하였다. 보다 긴 안정성은 전이에 이은 원자의 이완과 같은 원자 프로세스를 레이저에 동조시킴으로써 가능하였다. 이것이 바로 현대의 원자 시계가 어떻게 동작하는지에 대한 것에 해당한다.


출처:한국과학기술연구원
원본출처: physorg.com
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