서강대 김현정 교수팀, 레이저로 결정격자 움직임 1000조 분의 1초 단위 측정

MIT 등 공동 연구...나노 분야 최고 권위지 게재

"상전이현상, 향후 X-선 등 다양한 연구에 기대"

[서울=뉴시스] 펨토초 레이저를 이용해 비스무트 셀레나이드 시료의 전자를 들뜨게 하고
펨토초 X-선 펄스를 이용해 측정한 결정 격자의 움직임과 이에 따른 밴드갭 변화 (사진=서강대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김광주 인턴 기자 = 서강대학교(총장 심종혁) 물리학과 김현정 교수 연구팀은 열을 전기로 바꾸는 대표적인 물질로 알려진 '비스무트 셀레나이드(Bi2Se3)'에서 들뜬 전자에 의한 결정 격자의 움직임을 펨토초(Femtosecond, 1000조 분의 1초) 단위로 측정하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

연구팀은 펨토초 레이저를 이용해 물질의 전자를 들뜨게 했다. 그리고 경상북도 포항에 있는 4세대 X-선 자유 전자레이저인 PAL-XFEL을 이용해 결정 격자의 움직임을 펨토초의 단위의 시간 분해능(장치의 한계 성능을 나타내는 가장 미세한 신호차이)과 10피코미터(pm, 1000억 분의 1m)실의 움직임을 실시간으로 관찰했다.

관찰 결과, 최초 수 피코초(1조분의 1초) 내에 결정 격자는 수축하고 층 간 팽창한 후 격자 진동을 보였다는 것이 밝혀졌다. 이러한 현상을 측정하고 이해해서 전하 운반체인 들뜬 전자의 농도에 따라 '위상 절연체'(내부는 열과 전기가 통하지 않는 '절연체'이며 표면은 이와 반대인 도체)의 상전이 현상을 최초로 예측할 수 있었다는 설명이다.

연구는 포항가속기연구소의 PAL-XFEL 연구팀을 비롯해 서강대 물리학과 정현식 교수, 미국 MIT등과 국제공동연구로 이루어졌으며 연구성과는 나노과학기술 분야 세계 최고 권위지 중 하나인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 온라인으로 지난 8일에 게재됐다.

김현정 교수는 “이 연구는 X-선 자유전자레이저의 매우 짧은 펄스를 이용하여 물질의 움직임을 직접적으로 관찰했다는 것에 의의가 있고 연구 결과는 상전이현상에 대한 이론 연구와 향후 차세대 방사광가속기와 X-선 자유전자레이저 시설의 이용 연구로 각광받을 것으로 기대된다”고 말했다.


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