(With the ultrafast system in the Physics Centre at Kiel University (Germany), the behaviour of electrons can be filmed live. Credit: Jürgen Haacks, CAU)
(Film recordings show for the first time how the energy distribution in a graphite sample changes in the ultrashort period of 50 femtoseconds. Credit: Phys. Rev. Lett)
과학자들은 1경 분의 1초에 해당하는 펨토초 단위의 화학 반응이나 물리적 변화를 측정할 수 있는 기술을 개발했습니다. 중요한 반응이 이 짧은 시간에 일어나기 때문입니다. 키엘 대학 실험 및 응용 물리학과 (Institute of Experimental and Applied Physics at Kiel University (CAU))의 연구팀은 초고속 카메라 기술을 활용해 수 펨토초 사이에 일어나는 전자의 변화를 관측해 어떤 일이 일어나는지를 연구했습니다.
빛이 물체에 충돌하면 그 반응의 결과로 전자가 튀어나오게 됩니다. 예를 들어 태양 에너지를 전기로 바꾸는 태양 전지가 대표적인 사례 입니다. 하지만 사실 전기 에너지로 전환되는 전자는 일부에 불과하며 상당수 전자는 사방으로 흩어지게 됩니다. 이 과정은 펨토초 이하의 매우 짧은 시간에 일어나기 때문에 연구가 매우 어려웠습니다.
키엘 대학의 연구팀은 흑연에 강력한 빛을 방사한 후 펨토초 단위로 발생하는 전자의 이동과 반응을 조사했습니다. 과학자들은 이런 극단적인 상황에서는 전자가 마치 가스처럼 행동한다는 것을 알고 있습니다. 이 상태의 전자를 페르미 가스 (Fermi gas)라고 부르는데 이론적으로는 잘 알려져 있어도 실제로 관측은 매우 어려웠습니다. 이번 연구에서 실제로 페르미 가스의 행동을 연구할 수 있었는데, 7 펨토초의 빛을 쏜 후 이를 13 펨토초 단위로 촬영한 결과 불과 50 펨토초 사이에도 많은 일이 일어난다는 사실을 확인할 수 있었습니다. (사진) 이는 앞으로 초고속 전자 기기나 더 효율이 좋은 태양 전지를 개발하는 데 도움이 될 것입니다.
이번에 사용한 초고속 카메라는 역대 가장 빠른 카메라 중에 하나로 계속해서 더 빠른 이미징 기술이 발전하면 더 짧은 순간에 일어나는 반응도 확인이 가능할 것입니다. 앞서 소개한 것처럼 초당 10조 프레임이라는 엄청난 촬영 속도가 가능해졌는데 ( https://blog.naver.com/jjy0501/221376627835 참조) 여기서 얼마나 더 빨라질지 궁금합니다.
참고
G. Rohde et al, Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.256401
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