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'연엑스선'에 해당되는 글 1

  1. 2012.03.02 찰라의 시간 100경 분의 1초, 아토초 시대 열렸다
2012. 3. 2. 00:00 대덕밸리과학소식/KAIST

1아토초(AttoSecond)는 '100경 분의 1초' 입니다.

비교하자면, 우주의 나이인 137억 년을 1초라고 가정할 때 137억 년 : 1초 = 1초 : 1아토초 가 되는 셈입니다.

이렇게 짧은 순간인 아토초는 원자 내부에서 움직이는 전자의 움직임을 표현할 때나 사용 가능합니다.

그러나 이처럼 짧은 순간을 연구하는 이유는 원자 단위의 초고속 현상을 계측하고 이를 조절하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할수록 더욱 정교한 과학적 기반을 마련할 수 있기 때문입니다.

□ 자연계의 다양한 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 '아토'과학의 시대가 열렸습니다.

국내 연구진이 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정하는데 성공했습니다.

KAIST 남창희 교수팀은 아토초 펄스를 이용해 초고속 광이온화를 계측하는데 성공했습니다.

아토과학 연구를 위해 자체 개발한 실험 장치. 아래쪽의 긴 원통 부분은 광전자 에너지 스펙트럼 측정에 사용되는 고성능 전자분광기이다. 지구자기장의 영향을 없애기 위해 전자가 진공 속에서 진행하는 원통은 뮤메탈 판으로 싸여있다.



광이온화는 아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것입니다.

남 교수팀은 아토초 엑스선 펄스와 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 펄스를 이용해 헬륨 원자를 광이온화하고, 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 규명했습니다

아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 연구팀이 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구진의 결실입니다.

자체개발한 1 kHz 반복률의 고출력 펨토초 레이저. 펨토초 레이저 공진기부터 펄스 확장기, 2단의 증폭단, 펄스 압축기까지 자체 개발하였으며, 2009년에는 이를 추가적으로 펄스 압축하여 3.7 펨토초, 0.3 테라와트 출력을 얻어 세계적으로도 최고의 성능을 갖는 결과를 보였다.

고출력 펨토초 레이저 장치의 작동 모습



남 교수팀은 앞서 지난 2010년에 고차조화파를 이용해 세계에서 가장 짧은 60아토초 펄스 생성에 성공하기도 했습니다.

연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 이용해 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용해 헬륨 원자를 광이온화시켜 원자에서 발생하는 초고속 광이온화 현상을 계측했습니다.

이번 연구는 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정한 것으로, 향후 이번 연구결과를 바탕으로 원자와 분자 내부에서 일어나는 초고속 현상을 계측하고 이를 이용해 원자와 분자의 상태를 조절하는 연구를 진행하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 기반을 마련했습니다.

이번 연구는 KAIST 남창희 교수가 주도하고 김경택 박사와 금오공대 최낙렬 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 'Physical Review Letters'지 3월호(108권, 3월 2일자)에 게재되었습니다. (논문명: Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics)

  

남창희 교수, 고동혁 학생, 김경승 학생


 용  어  설  명

티타늄 사파이어 펨토초 레이저 (Ti:sapphire femtosecond laser) :
사파이어에 도핑된 티타늄을 이득 매질로 사용하여 발진되는 레이저로 이득 매질의 흡수영역과 방출영역이 매우 넓어서 시간폭이 펨토초 영역인 매우 짧은 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 넓은 스펙트럼 영역에서 방출된 레이저 빛을 모드잠금과 분산 보정 기술을 통해 수십에서 수 펨토초에 이르는 레이저 펄스를 생성할 수 있다.

고차조화파 :
강한 펨토초 레이저를 기체원자에 집속하여 발생된 연엑스선 영역에서 레이저의 특성을 닮은, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 우수한 연엑스선 광원

고차조화파 광원 (high - harmonic light source) :
고출력 펨토초 레이저와 기체 원자와의 상호 작용을 통해 발생되는 연엑스선 광원이다. 강력한 레이저장을 통해 이온화된 전자가 이온과 재결합함으로써 넓은 스펙트럼을 갖는 결맞는 엑스선이 발생된다. 이와 같은 연엑스선 발생 현상이 레이저장의 반주기마다 반복되기 때문에 구동레이저의 홀수배에 해당하는 연엑스선 성분만 강하게 남아 고차조화파의 특징인 빗살 모양의 스펙트럼이 나타난다.

아토초 고차조화파 펄스 (attosecond high-harmonic pulse) :
기체 원자와 극초단 고출력 펨토초 레이저 펄스와의 상호 작용으로 발생하는 고차조화파는 연엑스선 영역에서 넓은 스펙트럼을 갖는 광원이기 때문에 시간적으로 아토초에 해당하는 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 다 주기 레이저 펄스에서 발생된 고차조화파는 주로 아토초 펄스열을 형성하나 시간 게이팅 방법을 도입하여 단일 아토초 펄스로 생성할 수 있다.

광이온화 :
아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것. 

Physical Review Letters :
물리학 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 물리학 전반에 걸쳐 최첨단 선도 연구 과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알려기 위한 목적으로 미국 물리학회에서 발행하는 학술지. (2010 SCI 피인용지수 : 7.621)

<연 구 개 요>

자연계의 초고속 현상을 측정하기 위해서는 그 현상이 일어나는 시간보다 더 짧은 측정수단이 필요하다.
최근 눈부시게 발전한 레이저 기술 덕택으로 매우 짧은 레이저 펄스 생성이 가능해졌다.
빛에너지를 저장하였다가 매우 짧은 시간 동안 방출하는 여러 가지 기술이 개발되어 나노초 (10의 -9승 초), 피코초 (10의 -12승 초), 펨토초 (10의 -15승 초)의 레이저 펄스를 만들 수 있다.
빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있으나, 1 나노초는 이 시간 동안 빛이 단지 30 cm를 진행할 수 있는 매우 짧은 시간이다.
1 피코초는 1 나노초의 천분의 일초이며, 1 펨토초는 1 피코초의 천분의 일초인 지극히 짧은 시간이다.
피코초나 펨토초 레이저의 등장은 피코초나 펨토초 시간 영역에서 발생하는 물리나 화학적 현상을 분석하는 데 큰 기여를 하였으며, 1999년 노벨화학상은 펨토화학 분야의 선구자인 캘리포니아 공대의 즈웨일 교수에게 수여되었다. 
  
펨토초 레이저를 이용하여 이제는 펨토초의 천분의 일초인 아토초 (10의 -18승 초) 펄스 발생도 가능케 되었다.
아토초 펄스를 만들기 위해서 강한 펨토초 레이저를 원자에 집속하고 이때 발생하는 엑스선 영역의 고차조화파를 이용한다.
이 고차조화파는 주파수폭이 굉장히 넓기 때문에 이를 이용하여 아토초 펄스를 만들 수 있다.
남 교수팀은 고차조화파를 이용한 아토초 펄스 발생에서 세계에서 가장 짧은 60 아토초 펄스를 생성하여 2010년 보고한 바 있다. 아토초 광원이 등장함에 따라 이제는 펨토초보다 더 짧은 아토초 영역의 초고속 현상을 분석할 수 있는 "아토과학"의 시대가 되었다. 예를 들어, 전자가 수소원자를 한 바퀴 공전하는 주기는 150 아토초에 불과하다.
이러한 자연현상에 대한 연구를 위해 더욱더 짧은 펄스를 만들기 위한 노력은 계속되어 왔고, 이를 이용하여 초고속 현상을 연구하는 아토 과학은 최근 뜨거운 관심을 받고 있다. 
 
KAIST의 남창희 교수팀은 아토초 펄스를 이용하여 원자의 초고속 광이온화를 계측하는 데 성공하였다.
레이저나 연엑스선 광원으로 원자를 이온화할 때 나타나는 광이온화 현상은 아토초 영역에서 일어나는 매우 빠른 현상이다. 본 연구에서는 아토초 펄스와 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 헬륨 원자를 광이온화하고 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 규명하였다.
아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능의 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구의 결실이다.
 
본 연구에서는 고출력 펨토초 레이저를 이용하여 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용하여 헬륨 원자를 광이온화 시켜 원자에서 일어나는 초고속 광이온화 현상을 계측하였다.

<남창희 교수>

 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 카이스트 물리학과 교수

2. 학력
  ○ 1977 : 서울대학교  학사 (핵공학)
  ○ 1979 : 카이스트 석사 (물리학 )
  ○ 1988 :  프린스턴 대학 박사 (플라즈마 물리)
 
3. 경력사항
○ 1989 ~ 현재 : 카이스트 물리학과 교수
○ 1988 ~ 1989 : Princeton Plasma Physics Laboratory, Staff Research Physicist
○ 1979 ~ 1982 : 부산대학교 기계공학과, 전임강사
○ 1999 ~ 현재 : 교육과학기술부?한국연구재단 창의연구단, 도약연구단 단장

4. 주요연구업적
1. Kyung Taec Kim, Dong Hyuk Ko, Juyun Park, Nark Nyul Choi, Chul Min Kim, Kenichi. L. Ishikawa, Jongmin Lee, and Chang Hee Nam,
"Amplitude and phase reconstruction of electron wave packets for probing ultrafast photoionization dynamics," Phys. Rev. Lett. (accepted on Jan. 8, 2012).
2. Kyung Taec Kim, Kyung Sik Kang, Mi Na Park, Tayyab Imran, G. Umesh, and Chang Hee Nam,
"Self-Compression of Attosecond High-order Harmonic Pulses," Phys. Rev. Lett. 99, 223904 (2007).
3. I Jong Kim, Chul Min Kim, Hyung Taek Kim, Gae Hwang Lee, Yong Soo Lee, Ju Yun Park and Chang Hee Nam,
"Highly efficient high-harmonic generation in an orthogonally polarized two-color laser field," Phys. Rev. Lett. 94, 243901 (2005).
4. D. G. Lee, J.?H. Kim, K. H. Hong, and Chang Hee Nam,
"Coherent control of high-order harmonics with chirped femtosecond laser pulses," Phys. Rev. Lett. 87, 243902 (2001).
5. Hyun Joon Shin, Dong Gun Lee, Yong Ho Cha, Kyung Han Hong, and Chang Hee Nam,
"Generation of Nonadiabatic Blueshift of High Harmonics in an Intense Femtosecond Laser Field," Phys. Rev. Lett. 83, 2544-2547 (1999).
6. Dong Hyuk Ko, Kyung Taec Kim, Juyun Park, Jae-hwan Lee and Chang Hee Nam,
"Attosecond chirp compensation over broadband high-order harmonics to generate near transform-limited 63-as pulses," New J. Phys. 12, 063008 (2010).
7. J. Park, J.-h. Lee, and Chang Hee Nam,
 "Generation of 1.5-cycle 0.3-TW laser pulses using a hollow-fiber pulse compressor," Opt.   Lett. 34, 2342 (2009).

posted by 글쓴이 과학이야기

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