아토초보다 더 짧은 시간 - 젭토초 (Zeptosecond) 사이 일어난 현상을 관측하다.

(The photon (yellow, coming from the left) produces electron waves out of the electron cloud (grey) of the hydrogen molecule (red: nucleus), which interfere with each other (interference pattern: violet-white). The interference pattern is slightly skewed to the right, allowing the calculation of how long the photon required to get from one atom to the next. Credit: Sven Grundmann, Goethe University Frankfurt)

과학자들은 매우 짧은 시간에 일어나는 물리 현상이나 화학 반응을 연구하기 위해 노력해왔습니다. 소립자 세계나 분자 간의 화학 반응이 펨토초 (Femtosecond, 10^-15)나 아토초 (attoseconds, 10^-18) 사이 발생하기 때문입니다. 펨토초 사이 발생하는 현상을 연구하는 펨토초 과학은 이미 많은 성과를 거뒀기 때문에 과학자들은 아토초 사이 발생하는 현상까지 도전하고 있습니다.

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괴테 대학의 라인하르트 되르너 (Goethe University, Professor Reinhard Dörner)가 이끄는 연구팀은 광자 (photon)가 수소 원자 (H2) 사이를 지나는 시간 동안 일어나는 일을 관측하는데 성공했습니다. 그 시간은 247 젭토초 (Zeptosecond, 10^-21)에 불과합니다.

연구팀은 독일 전자 싱크로트론 연구소 (Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY))의 PETRA III X선 레이저를 이용해 수소 분자를 광이온화 시켜 전자가 튀어나오는 현상을 관측했습니다. 쉽게 말해 레이저를 쏴서 수소 원자 주위를 돌고 있는 전자를 튀어나오는 순간을 포착한 것입니다.

그런데 이런 미시 세계에서 입자는 파동성을 동시에 지니고 있습니다. 따라서 레이저에서 나온 빛의 입자인 광자는 물수제비처럼 파동을 타고 이동하며 두 전자 역시 순차적으로 나오면서 파동을 일으키면서 서로 간섭합니다. 이 모습을 이미지로 그리면 위의 사진처럼 다소 복잡한 형태가 됩니다. 당구공이 충돌해서 다른 당구공이 튀어나오는 것과는 전혀 다른 상황인 것입니다.

당연히 일반적인 관측기기로는 이 현상을 포착할 수 없기 때문에 연구팀은 COLTRIMS reaction microscope 라는 특수한 관측 장비를 사용해서 젭토초 단위의 관측에 성공했습니다. 연구팀은 앞으로 이 기술을 통해 젭토초 연구가 활발해질 것으로 기대하고 있습니다.

쉽게 이해되지 않는 소립자 세계의 연구지만, 젭토초 관측 성공은 현대 과학이 어디까지 발전했는지를 보여주는 좋은 증거 중 하나일 것입니다.

참고

https://phys.org/news/2020-10-zeptoseconds-world-short.html

Zeptosecond Birth Time Delay in Molecular Photoionization, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abb9318

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