<사진. 아토초 타이밍 도구를 검사하는데 사용하기 위한 실험 구성 모식도. 색상으로 표현된 분광 이미지를 분석하는 알고리즘에 의해 생성된 점선은 X-선 레이저의 도착 시간을 표현함
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

전자의 속도 수준에서 동작하는 레이저

최근 미자원부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소(Department of Energy`s SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자들은 원자 및 분자 주변의 전자에 대한 스냅샷(snapshot)을 찍을 수 있는 레이저 타이밍 시스템(laser-timing system)을 개발하였다. 리낙 결맞음 광 소스 X-선 레이저(Linac Coherent Light Source X-ray laser)의 극단적 속도와 정확도에 시간을 맞춤으로써 화학 반응의 형성 단계를 관찰하는 것이 가능할 수 있다.

이전에 연구진은 깨지기 전과 후의 화학 결합을 관찰할 수 있었는데, 금번에 개발된 도구를 이용하여 연구진은 깨짐이 진행되는 상태를 고정시켜 결합을 관찰할 수 있었다.

금번 실험의 성공 요인은 "펌프-탐침(pump-probe)"으로 알려진 기술인 또 다른 레이저로 X-선 레이저의 정밀한 타이밍에 의존한다. 광학 레이저로부터 빛은 시료에서 특정 효과를 펌핑 혹은 유발시키는데, 연구진은 X-선 레이저 펄스의 도착을 변화시켰다. 이는 시간 상으로 상이한 지점에서 효과를 연구하기 위해 이미지와 다른 데이터를 확인하기 위한 탐침으로 동작한다.

펌프-탐침 실험은 생물 시료 및 고온 초전도체와 같은 특이한 재료를 포함하여 원자 혹은 분자 수준에서 다양한 프로세스를 연구하는데 이용된다. 그러나 LCLS의 X-선 펄스는 조절하는 것이 매우 까다롭다. 펄스는 빛의 도착 시간, 에너지, 위치, 지속 기간 및 파장에서 변화를 유발하는 고유의 변동을 가지고 있다.

실험에 있어 변동의 영향을 이해하고 제약하기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 도구와 기술이 있으며, 타이밍 도구는 매우 정밀한 측정을 제공함으로써 도착 시간 변동을 헤아리게 된다. 이러한 측정을 통해 과학자들은 첫째 레이저 펄스에 노출된 후 시료에서 관찰되는 변화의 타이밍을 찾아냄으로써 데이터를 해석하는데 도움을 얻을 수 있었다. 몇몇 실험들은 관찰하려는 변화의 수준이 초고속으로 진행되기 때문에 정밀한 타이밍 도구 없이는 불가능하다.

현재 LCLS에 있는 대부분의 타이밍 도구는 10펨토초 이내로 광학 및 X-선 레이저 펄스의 도착 시간을 측정할 수 있다. Nature Photonics에 보고된 새로운 펄스 측정 시스템은 기존 도구 및 아토초 수준의 펄스 타이밍에 기반하고 있다.

스위스 베른대(University of Bern) 연구진은 아토초 타이밍 해상도를 갖는 X-선 레이저가 전자 거동의 자연적인 시간 수준에서 새로운 실험 규모를 구성할 수 있었다. 새로운 시스템은 탐침 레이저 펄스의 타이밍과 파장을 기록하는 고해상도 분광 카메라를 이용한다. 본 장치로 표현되는 여러 색상의 패턴은 다소 다른 시간에서 실리콘 니트리드(silicon nitride) 시료를 통과한 빛의 상이한 파장을 의미한다. 본 재료는 X-선 펄스가 인가되었을 때 전자에서 연쇄 반응을 겪게 된다. 이러한 효과는 빛이 시료를 통과하는 방식으로 간략한 각인을 남기게 된다.

이와 같이 X-선으로 유도된 효과는 다른 레이저 펄스로부터 빛이 실리콘 니트리드를 통과하는 방식으로 나타난다. 즉, 카메라 플래시를 적용했을 때의 이미지처럼 분광 사진기로 기록된 큰 빛의 양으로 관찰된다. 이후 이미지 분석 알고리즘은 기록된 패턴에 기반하여 X-선 펄스의 상대적 도착 시간을 계산한다.

새로운 타이밍 시스템은 몇몇 다른 타이밍 도구에 의해 야기된 왜곡 효과를 회피하도록 디자인되었으며 다양한 초점 및 필터 도구를 통해 신뢰적으로 동작한다. 이는 레이저 도착 시간의 실시간 판독을 제공한다. 추가적으로 혁신적인 결과를 통해 새로운 시스템은 보다 다양하게 이용될 수 있을 것이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr