Science
분자로부터 방출된 광전자의 파동 관수를 결정하는 데 성공
장종엽엔에스
2010. 3. 10. 14:41
| KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-02-22 | ||||||||
독립 행정법인 이화학 연구소(이하, Riken)와 독립 행정법인 과학기술 진흥 기구(이하, JST)는 시간 분해 광전자 이미징(주 1)을 사용하여 분자의 광이온화 과정(주 2)을 해명하는 수법을 개발해 일산화질소 분자(NO)가 광이온화 시에 방출하는 광전자의 파동 관수(주 3)를 결정하는 것에 성공하였다. 이것은 Riken 기간 연구소 화학반응 연구실에 의한 연구 성과이다. 분자는 고유의 형태(분자 구조)를 가지고 있어 이 형태가 분자의 특징적인 물성이나 기능을 발현하는 근원이 된다. 그러나 실제 분자는 기체 중에서도, 액체 중에서도 항상 랜덤인 방향을 향하고 있다. 이로 인해 분자끼리의 충돌로 일어나는 화학반응 등 분자의 방향이나 분자 구조에 의존하는 현상을 관측하여도 방향에 관한 정보는 평균화된다. 화학반응의 입체적인 선택성은 분자 중의 전자 운동의 특징적인 편향(분포)에 기인된다. 이러한 전자의 편향을 관찰자가 방향을 결정(분자 고정 좌표계(주 4)), 실제로 전자가 어느 방향으로 편향되어 있는지, 그 분포 또는 파동관수를 실험적으로 결정하는 것이, 새로운 타깃이 되고 있다. 연구 그룹은 일산화질소 분자의 광이온화 과정을 모델로서 그 회전 주기(주 5)인 8.4 ps(피코초 : 1 ps는 1조분의 1초)보다 짧은 시간 폭(0.25 ps)을 가지고 있는 제1의 레이저광 펄스를 사용하여 일산화질소 분자를 전자의 에너지가 높은 상태(여기 상태)로 하였다. 이 때 특정 방향을 향한 일산화질소 분자만이 여기 상태가 되는 원리를 이용하여 방향이 모인 여기 분자의 집단을 만들었다. 그 후 분자축의 방향은 이론적으로 예측 가능하기 때문에 제2의 레이저광 펄스를 여러 가지 타이밍에 조사하여 시시각각 방향을 변화시켜 일산화질소 분자로부터 광전자를 방출시켜 그 분포를 사진에 촬상하였다. 제1의 펄스로 방향을 선택했을 때 분자 방향을 완전하게 갖출 수 없기 때문에 화상은 아직도 방향의 산란이 발생하지만 이 산란 정도는 정확하게 추측할 수 있다. 연구 그룹은 분자의 정렬 상태와 화상의 산란 정도를 정밀하게 해석하여 산란이 없는 샤프한 화상, 즉 분자 고정 좌표계로의 광전자의 산란 분포와 파동관수를 추출하는 것에 성공하였다. 그리고 제2의 광펄스의 파장(에너지)을 바꾸었을 경우 파동관수가 어떻게 변화하는 지를 처음으로 실험을 통해 분명히 밝혔다. 광전자의 파동관수를 결정하는 수법 확립은 광이온화 과정에 관한 이해를 할 수 있음과 동시에 복잡한 다원자 분자나 화학반응의 분자에도 확장할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 본 연구 성과의 일부는 JST 전략적 창조 연구 추진 사업 팀형 연구(CREST)의 `첨단 광원을 구사한 광과학·광기술의 융합 전개`, 연구 영역에 있어서의 연구과제 `진공자외(?空紫外), 심자외(深紫外) 필러멘테이션(filamentation) 극단 펄스 광원에 의한 초고속 광전자 분광`에 의한 것이라고 한다. 향후 분자 고정의 전자 파동함수를 결정하는 이 수법은 분자의 여기 전자 상태나 이온화 상태에 관한 이해를 할 수 있어 계산 수법의 확립에도 크게 기여한다. 이번 방법론은 일산화질소 분자뿐만 아니라 복잡한 다원자 분자에도 확장할 수 있다. 특히 화학반응 도상에 있는 분자의 고속 전자 상태 변화를 관측하여 화학반응을 구동하는 전자운동을 리얼타임으로 추적하는 것은 다음의 도전이라고 한다. (주 1) 시간 분해 광전자 이미징 제 1의 레이저광 펄스에 의해 반응을 야기하거나 분자 운동을 제어한 후 제2의 레이저광 펄스로 그 분자 이온화하여 그 때 발생하는 전자(광전자)를 이미징하는 방법. (주 2) 광이온화 과정 원자, 분자가 전자파를 흡수하여 전자를 방출하는 현상으로 광의로는 광전 효과로 불린다. 방출한 전자는 광전자로 불려, 예를 들면 분자 M이 에너지의 큰 빛을 흡수하면 1개의 광전자가 분자로부터 나와 1가 양이온 M+가 생성된다. (주 3) 파동관수 전자 운동을 파로서 해석했을 경우 전자는 삼차원 공간에 퍼진다. 이러한 확대는 정부(正負)의 값(일반적으로는 복소수)을 취할 수 있다. 그 값을 공간 좌표의 함수로서 표현한 것을 파동관수라고 한다. (주 4) 분자 고정 좌표계 분자와 함께 움직이는, 즉 분자에서 본 좌표계로 외계의 관측자가 본 좌표계는 실험실 좌표계로 불린다. (주 5) 회전 주기 분자축이 1회전(360도) 하는데 필요로 하는 시간. <참고자료 1> 제1의 레이저광 펄스에 의한 NO 분자의 회전운동 상태의 선택 <참고자료 2> (상) 실험장치의 개략도 / (하) 광전자의 각도 이방성을 시간(t)과 전자 에너지(E)에 대해 매핑(상단 : 레이저의 전기장 방향에 대한, N-O결합의 각도를θ로 하면 분자축 통계 분포는 cos2θ의 기대치 cos2θ로 결정할 수 있다. cos2 (θ)는, 시간과 함께 변화해, A(t)=7. 5 cos2(θ) ―2.5로 하면, A(t)는-1~0.4의 범위에서 변화한다. / (하단) 분자를 정렬시키는 제1의 레이저광 펄스와 광이온화를 위한 제2의 레이저광 펄스의 지연 시간 t와 광전자의 운동 에너지 E에 대한 (a) 광전자 이방성 파라미터β2 및 (b) β4의 3차원 맵) <참고자료 3> 분자 고정 좌표계에서의 광전자 각도 분포
|
