한국과 일본 공동연구팀이 빛을 이용한 초고속 전하 조작 기술로 단일 분자의 양자 상태를 1조분의 1초 단위로 실시간 제어하는 기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 김유수 화학과 교수 겸 기초과학연구원(IBS) 양자변환연구단장과 이마다 히로시 교수(일본 이화학연구소 소속)가 이화학연구소(RIKEN), 요코하마국립대, 도쿄대, 하마마츠포토닉스, 울산대와 함께 분자 수준에서 일어나는 현상을 실시간 초고속으로 관측·제어할 수 있는 ‘THz-광학 STM’ 장치를 개발했다고 7일 밝혔다.

주사터널현미경(STM)과 테라헤르츠(THz) 광 펄스를 결합한 새로운 기술을 개발했다. 이 기술은 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 단위의 공간 분해능과 피코초(ps, 1조분의 1초) 단위의 시간 분해능을 동시에 구현해 분자 수준에서 일어나는 에너지 변환과 화학 반응을 정밀하게 관측하고 제어할 수 있다.

‘THz-광학 STM’ 장치는 기존 THz-STM의 한계를 넘어 전하 주입에 따른 분자 상태 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 광학 기술을 접목한 것이 특징이다. 실험 대상으로는 팔라듐(Pd) 원자가 포함된 Pd 프탈로시아닌 단일 분자를 사용했다.

실험 결과 THz 펄스를 STM에 조사했을 때 분자에서 660nm 파장의 발광이 관측됐다. 이는 분자의 프론티어 궤도(HOMO와 LUMO)에 전하가 주입되며 여기자(전자와 정공의 준양자 상태)가 형성된다. 이 과정에서 빛이 방출된 것으로 분석됐다. 흥미롭게도 발광이 일어나는 동안 전류는 거의 흐르지 않아 전하가 STM 탐침과 분자 사이에서만 교환된 것으로 확인됐다.

연구팀은 THz 펄스의 파형을 조절하는 ‘THz 위상 쉬프터’를 활용해 발광 강도를 제어하는 데도 성공했다. 특히 펄스 위상이 210도일 때 발광 강도가 최대에 달했다. 이는 전자와 정공의 연속적인 주입으로 여기자가 형성된 결과로 해석됐다.

김유수 GIST 교수는 “이번 연구를 통해 THz 펄스와 광학 STM을 결합하해 극한의 시공간 분해능으로 분자의 양자 상태를 측정하고 제어하는 방법을 확립했다”면서, “이번에는 분자에서 방출된 빛을 검출하는 데 그쳤지만, 다른 레이저 광원과 결합하면 라만 산란 현상이나 광발광  등 다양한 광학 현상을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 길을 열게 될 것”이라고 말했다. 

연구 결과는 세계적인 학술지 사이언스(Science)에 7일 실렸다. 이번 연구는 일본학술진흥회(JSPS) 과학연구비 지원을 받아 이뤄졌다. 

한편 이마다 히로시 교수는 STM과 나노 광학 기술 융합 공로로 지난 2월 일본 시마즈과학기술진흥재단의 ‘제7회 시마즈 장려상’을 수상한 바 있다.