[김동언 교수] 단주기 레이어장 활용한 원자내 전자 홀로그램 기본 패턴 추출 및 조작 Light Science & Applications 13, 108 (2024)

원자발생 전자 홀로그램, 베일을 벗다

- 원자, 분자의 초고속 이미징 초석을 놓다

- 단주기 레이어장 활용한 원자내 전자 홀로그램 기본 패턴 추출 및 조작

원자 및 분자의 기본 구조 정보를 가지고 있는 원자 전자 홀로그램을 밝혀내고 조작할 수 있음을 보였다.

이로써 원자와 분자의 초고속 이미징의 새로운 이정표를 세웠다.

포항공대, 한국 막스 플랑크 한국 포스텍 연구소 김동언 교수와 물리 수학 우한 연구소 라이(Lai) 교수팀이 원자 발생 전자 홀로그램의 기본 홀로그램 패턴으로 알려진 거미 다리(spider-leg) 및 물고기 뼈(fish-bone) 패턴을 각각 따로 명확하게 관찰하고 조작함으로써, 원자와 분자의초고속 영상화에 획기적인 성과를 거뒀다.

단일 사이클(single cycle) 레이저 펄스를 활용하여 거미 다리 모양과 물고기 뼈 모양 패턴뿐만 아니라 전자 홀로그램에 대한 구이(Gouy) 위상 효과를 식별해 내었다. 이로써 홀로그램 패턴에서 표적 분자의 핵 간 분리를 정확하게 추출할 수 있는 길을 열게 되었다.

X선 회절과 같은 전통적인 이미징 방법은 분자 내 전자의 빠른 이동을 포착하는 데 한계가 있다. 

새로운 접근 방식인 강력장 광전자 홀로그래피는 전례 없는 시공간 해상도를 제공하므로 기본 구성 요소에 대한 이해를 혁신시킬 것이다. 캐리어-엔벨로프 위상이 안정화된 단일 사이클 레이저 펄스를 사용함으로써, 사이클 간 간섭 영향을 제거하고, 기본 홀로그램 패턴을 명확하게 시각화하고 식별하였으며, 이로써 표적 분자 내의 전자 역학의 세부 사항을 밝힐 수 있었다.

단순화된 접근 방식, 흥미로운 가능성

김 동언 교수는 “ 최초로 이러한 패턴이 직접적으로 관찰되었습니다”고 설명하며, "이 새로운 접근 방식을 통해 아토초 단위(아토초는10억분의10억분의1초)로 전자의 행동을 제어할 수 있습니다“ 고 밝혔다.

연구자들은 표적 분자에 대한 구조적 정보를 추출함으로써, 이 방법의 유용성을 입증하였다. 결과는 화학, 생물학에서 재료 과학에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있다. 김 교수는 ” 중요한 것은 이 새로운 접근 방식이 여러 측정이 필요한 이전 방법보다 간단하다는 것입니다. 이 기술은 다른 기술들과 다양하게 결합하여 훨씬 더 정확한 제어와 통찰력을 제공할 수 있습니다. 분자 역학을 연구하고 화학 반응을 제어하는 데 흥미로운 길을 열었습니다.”라고 말했습니다.

이 연구 결과는 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’에 최근 5월호에 게재되었으며 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐다.  

단일 사이클 극한 기술을 이용하여 원자내 전자 홀로그램을 명확하게 축출하고, 전자 Gouy 위상을 식별. 이를 통해서 핵간 거리를 측정의 새로운 이정표 확립

논문명 : 준 주기 극한 기술을 활용한 강력장 광전자 홀로그래피

 Strong-field photoelectron holography in the subcycle limit

연구자 : T. Khurelbaatar, J. Heo, S. Yu, X. Lai3,4, X. Liu3 and D. Kim