홀로그램 구현해 원자·분자 구조 파악하는 '초고속 카메라'

세포와 분자 간 상호작용을 밝히거나 신소재를 개발하기 위해 물질의 구조를 분석하는 연구는 원자 규모에서 이뤄진다. 게티이미지뱅크 제공

원자 규모의 연구를 위해서는 미세한 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 초고속 이미징 기술이 필수적이다. 국내 연구팀이 레이저 펄스를 정밀하게 제어해 전자의 움직임과 분자 구조 정보를 포함한 입자의 홀로그램 패턴을 더 명확하게 구현하는 데 성공했다.

포스텍은 김동언 첨단원자력공학부 교수팀이 쑤안양 라이 중국과학원 우한 물리수학연구소 교수팀과의 공동연구를 통해 단일 주기 레이저 펄스로 입자의 광전자 홀로그램 패턴을 추출하고 조작하는 데 성공한 연구결과를 국제학술지 '빛: 과학과 응용' 5월호에 공개했다고 12일 밝혔다.

생물체를 이루는 세포와 분자 간 상호작용을 밝히거나 신소재를 개발하기 위해 물질의 구조를 분석하는 연구는 원자 규모에서 이뤄지는데 이때 각 메커니즘을 실시간으로 관찰하는 이미징 기술이 필요하다. '강한 전자기장 광전자 홀로그래피(SFPEH)'는 원자와 분자 구조를 초고속 이미징하는 기법의 하나로 강한 전자기장에 의해 입자에서 방출된 광전자를 이용해 입자 구조를 홀로그램으로 구현한다.

SFPEH는 전자나 X선 회절로 이미징하는 기존 방법보다 시간적·공간적 해상도가 뛰어나 더 정확한 정보를 제공한다. SFPEH에 활용되는 다주기 전자기장(multicycle field)이 파장의 주기 사이에 간섭 현상을 일으켜 홀로그램이 흐릿해지고 데이터 신뢰성을 떨어뜨린다는 점은 해결 과제다. 

이를 해결하려면 주기가 하나인 단일 주기 레이저 펄스를 사용해야 하는데 단일 주기 펄스를 생성하고 유지하는 것은 기술적으로 매우 어려운 일이다. 연구팀은 최첨단 레이저 기술을 바탕으로 단일 주기 전자기장을 생성하는 연구를 진행했다.

연구팀은 레이저 펄스 내 전기장의 형태를 정밀 제어해 일정하게 유지했다. 그 결과 단일 주기에 가까운 레이저 펄스가 생성됐다. 단일 레이저 펄스를 활용하자 SFPEH로 생성한 홀로그램을 흐릿하게 만들었던 주기 사이의 간섭 효과가 줄어들었다. 전자의 움직임과 분자 구조 정보를 포함한 홀로그램의 기본 패턴을 명확하게 관찰할 수 있었다.

나아가 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 이론적으로 분석·검증해 분자 구조를 분석하는 데 성공했다. 홀로그램 패턴에서 표적 분자의 각 원자핵 사이의 거리와 위치를 정확하게 측정할 수 있는 새로운 가능성이 제시됐다.

김동언 교수는 "여러 측정이 필요한 이전 방법보다 오히려 간단하다"며 "새로운 방식으로 아토초(as, 100경분의 1초) 단위에서 전자의 행동을 제어할 수 있다"고 설명했다. 이어 "다른 기술과 결합해 화학과 생물학, 재료과학 등 다양한 분야에서 분자 역학을 연구하고 반응을 제어하는 데 큰 도움이 되기를 바란다"고 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]