가장 짧은 시간 측정 성공했다

2020.10.20 14:00
독일 연구진, 빛이 분자 통과하는 ‘찰나’ 순간 측정
광자(노란색)가 수소 분자에 부딪혀 2개의 전자를 튕겨내는 과정에서 발생하는 파동 현상인 간섭 패턴(보라색과 흰색)을 측정해 가장 짧은 찰나의 순간인 247젭토초를 측정하는 데 성공했다. 괴테대 제공.
광자(노란색)가 수소 분자에 부딪혀 2개의 전자를 튕겨내는 과정에서 발생하는 파동 현상인 간섭 패턴(보라색과 흰색)을 측정해 가장 짧은 찰나의 순간인 247젭토초를 측정하는 데 성공했다. 괴테대 제공.

독일 연구진이 시간의 가장 짧은 단위를 측정하는 데 성공했다. 광자가 수소 분자를 통과하는 데 걸리는 시간을 측정한 것으로 찰나를 기록한 시간은 247젭토초 수준이다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 16일자에 발표됐다. 

 

젭토초는 10의 21승분의 1초다. 젭토초보다 긴 단위인 펨토초는 10의 15승분의 1초(1000조분의 1초)다. 과학자들은 그동안 젭토초 영역을 측정하기 위한 연구를 진행해왔다. 2016년 국제학술지 ‘네이처 피직스’에는 레이저를 활용한 연구에서 850젭토초까지 측정한 연구결과가 실리기도 했다. 

 

찰나의 시간 측정은 펨토초 분광기를 이용해 화학반응 전이상태를 연구한 이집트 태생 미국 화학자인 아메드 하산 즈웨일이 1999년 노벨 화학상을 받은 뒤 상당한 진보를 이뤄냈다. 

 

화학적 결합이 끊어지고 형성되는 데는 펨토초가 걸리지만 빛이 단일 수소 분자를 통과하는 데는 젭토초 수준의 짧은 시간이 소요된다. 이를 측정하기 위해 라인하르트 도너 독일 괴테대 교수 연구팀은 독일 함부르크 소재 전자싱크트론연구소(DESY)의 입자가속기를 활용해 수소 분자를 통과하는 X선을 포착하는 데 성공했다. 

 

연구팀은 X선의 에너지를 설정하고 단일 광자를 수소 분자에 있는 2개의 전자에 충돌시켰다. 수소 분자는 2개의 양성자와 2개의 전자로 구성된다. 수소 분자에 충돌한 광자는 수소 분자에서 전자 2개를 차례로 튕겨낸다. 마치 연못 표면에 조약돌을 던지면 표면에서 차례로 튕겨나가는 모습과 유사하다. 

 

이 과정에서 생기는 입자 간 상호작용은 간섭 패턴으로 불리는 파동을 만들어낸다. 도너 교수 연구팀은 ‘COLTRIMS 반응 현미경’이라는 장비를 이용해 이 과정을 측정했다. COMTRIMS 반응 현미경은 극단적으로 빠른 원자와 분자 반응을 기록할 수 있는 매우 민감한 입자 감지기다. 이를 통해 입자 간 상호작용 전반에 걸쳐 이뤄지는 간섭 패턴과 파동, 수소 분자의 위치를 모두 기록했다. 

 

연구팀은 기록한 데이터를 활용해 광자가 수소 분자에 충돌해 전자를 튕겨내는 정확한 순간을 포착하고 이 과정에서 일어나는 찰나의 순간을 247젭토초 수준에서 측정하는 데 성공했다. 수소 분자 내의 수소 원자 사이의 거리에 따라 약간의 오차는 있었다. 

 

연구진은 “수소 분자의 공간적 방향성을 알고 있었기 때문에 광자가 첫 번째 수소 원자에 도달한 시점과 두 번째 수소 원자에 도달한 시점을 정확하게 계산하기 위해 두 파동의 간섭을 활용했다”고 밝혔다. 

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