‘1000조 분의 1초' 나노입자 찰나의 변화 포착

UNIST, 펨토초 수준 고해상도 시공간 동시 이미징 기법 개발

펨토초 수준 이미징 기법을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 권오훈 UNIST 교수, 김예진 미국 캘리포니아 공대 연구원, 노학원 UNIST 연구원. 울산과학기술원(UNIST) 제공

국내 연구진이 ‘1000조 분의 1초’ 동안에 일어나는 찰나의 변화를 직접 관측하고 제어할 수 있는 초고해상도 이미징 기법을 구현했다.

울산과학기술원(UNIST)은 권오훈 화학과 교수팀이 국내 유일의 ‘4차원 초고속 투과전자현미경’을 활용해 이산화바나듐(VO2) 나노입자의 매우 빠른 금속-절연체 상변화 과정을 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 정확도로 포착했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 27일(현지시간) 발표됐다.

이산화바나듐은 섭씨 68도에서 금속-절연체 상변화 현상을 보여 광학센서 및 고속 스위칭 소자 등 차세대 핵심 소재로 각광받고 있다. 상변화 과정이 펨토초라는 매우 짧은 시간 동안 일어나기 때문에 기존 이미징 기법으로는 나노입자 수준에서 직접 관측이 불가능했다. 

초고속 투과전자현미경은 광전자 펨토초 펄스를 광음극에서 생성하고 높은 에너지로 가속해 원자 크기보다 짧은 피코미터(1조분의 1m) 수준의 파장에 도달하면서 높은 시공간 동시 분해능을 가진다. 

하지만 광전자 펄스를 이루는 각각의 전자들은 모두 음의 전하를 띠고 있어 서로 밀어내는 성질을 보인다. 이로 인해 광전자 펄스가 현미경의 경통을 지나며 점점 시공간상으로 확산되어 분해능이 떨어지게 된다. 분해능은 접근한 두 점이나 선의 변화를 분별하는 능력이다.

연구팀은 투과전자현미경의 한계를 극복하고 이산화바나듐의 상변화 과정을 촬영하기 위해 보편적으로 사용되는 에너지 필터를 기존과 다른 방식으로 활용했다. 

현미경의 카메라에 도달하는 동안 시공간 상으로 확산된 광전자 펄스의 일부를 에너지 필터로 걸러냈다. 걸러 낸 일부의 광전자들로 이미지를 재구성해 펨토초에 이르는 순간 동안의 상변화를 또렷하게 포착해냈다. 에너지가 같은 광전자는 가속 후 동일한 시공간에 존재한다는 물리 법칙을 활용한 결과다.

이렇게 에너지 필터를 활용하면 이산화바나듐 나노입자 군집체를 구성하는 개별 나노입자들의 각기 다른 초고속 상변화 과정을 한 번에 포착할 수 있다. 연구팀은 그래핀 기판 위에서 만들어진 이산화바나듐 나노입자들은 기존과는 다른 구조를 가지기 때문에 상변화가 일어나는 중간 단계에서 ‘준안정 상태’를 거칠 수 있다는 직접적 증거도 처음으로 확인했다.  준안정 상태란 열역학에서, 상변화가 일어날 온도를 넘었는데도 앞의 상에 머물고 있는 상태다.

논문의 제1저자인 김예진 미국 캘리포니아 공대 박사후연구원은 “이번 연구를 통해 복잡한 장비 개조 없이도 펨토초 수준에서 일어나는 물질의 변화 과정을 나노미터 수준에서 선명하게 촬영해 낼 수 있다는 것을 증명했다”고 설명했다.

권오훈 교수는 “누구나 아는 일반적인 물리학 지식을 토대로 펨토초 이미징 기법을 실험적으로 구현한 첨단 이미징 분야 최초의 연구”라며 “이산화바나듐의 초고속 상변화 현상을 처음으로 실시간 촬영함으로써 물성 제어에 대한 이해도와 소재로의 활용도를 높이는 데 기여할 수 있을 것”이라고 평가했다.

이산화바나듐 나노입자의 금속-절연체 상변화. UNIST 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]