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UNIST 학부생이 분자의 특성을 더욱 정확하게 연구할 수 있는 길을 열었다. UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 김이영(여, 22) 학부생(자연과학부 4)은 물리학 분야 최고 학술지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난 11월 27일(금) 공동 1저자로서 논문을 발표했다. 피지컬 리뷰 레터스는 미국 물리학회에서 발행하는 학술지로 현대 물리학사의 산증인으로 불리며, 물리학 분야에서는 ‘네이처’나 ‘사이언스’만큼 저명하다. 조범석 UNIST 교수(자연과학부)는 “학부생이 피지컬 리뷰 레터스에 논문을 발표한 것은 흔치 않은 일이라 지도교수로서 무척 기쁘다”며 “김이영 학부생이 아니었으면 이번 연구결과가 가설에 그칠 뻔 했다”고 말했다. 김 씨가 이번 논문에 공동 1저자로 이름을 올린 것은 서울대 공동 연구팀의 연구 데이터를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 규명해서다. 서울대 정두수 교수와 손성남 박사과정생 연구팀은 세기가 약한 ‘펄스형 정상파’로 분자를 분산시켰으나 실험 결과를 정확히 해석하는 데 어려움을 겪었다. 조범석 UNIST 교수(자연과학부)는 분자의 회전 상태에 따라 달라지는 편극률이 연구결과에 영향을 주었다 추정했고, 김이영 학부생이 이를 분자궤적 시뮬레이션을 통해 시간별로 변화되는 분자의 속도를 분석해 조 교수의 가설을 규명했다. 조 교수는 “기존 연구자들이 간과한 편극률을 고려해 분석함으로써 극성을 띄지 않는 분자들을 회전상태에 따라 분리할 수 있는 기술 개발의 초석을 마련했다”며 “그 결과 다양한 분자의 성질을 더욱 정확하게 분석할 수 있는 길이 열리게 됐다”고 말했다. 김이영 학부생의 꿈은 평생 공부하고, 연구하는 것이다. 김 씨는 이번 연구 성과로 자신의 연구방향을 분자의 특성 연구로 잡을 수 있었다. 김 씨는 “연구실에서 연구할 때가 가장 행복하다”며 “앞으로도 연구에만 매진해 분자의 성격을 정확하게 규명할 수 있는 기술을 개발하고 싶다”고 말했다. 이번 연구는 미래창조과학부 우수신진연구자 지원사업과 한국연구재단의 일반연구자 지원사업의 지원으로 수행됐다. (끝) 붙 임: 연구결과 개요 (* 논문명: Rotational-state-dependent dispersion of molecules by pulsed optical standing waves) (* 공동 교신저자: 조범석 UNIST 자연과학부 교수, 정두수 서울대 화학과 교수 |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경일반적으로, 분자들은 여러 양자 상태를 가지고 있을 뿐더러 서로 혼합되어 있기 때문에 양자 상태에 따른 성질이 뚜렷하게 나타나지 않는다. 따라서 분자의 양자상태에 따른 성질을 정확하게 측정하기 위해서는 단일 양자 상태를 갖는 분자의 표본을 얻는 것이 매우 중요하다. 하지만 분자의 양자 상태를 골라내는 것은 매우 까다로운 일이며 아직까지 전반적인 분자에 적용할 수 있는 단일 양자 선택 방법은 개발되지 않은 상태이다. 다만 극성 분자에 한해서 양자 상태를 선택하는 방법이 제시되었으나, 여전히 극성을 갖지 않는 분자의 경우에는 적용할 수 없다. 한편, 이론연구에서 레이저를 이용한 비극성 분자의 회전 양자 상태 분리 방법의 가능성이 제시 되었지만, 실제 진행된 실험에서는 각각의 회전 양자 상태에 따른 편극률을 고려하지 않고 그 평균값만을 이용했기 때문에 정확한 분리 방법을 제안하지 못했다. 이에 조범석 교수는 분자의 회전 양자 상태에 따라 달라지는 편극률을 고려한 새로운 양자 선택 방법을 제시하게 되었다. |
2. 연구내용본 연구에서는 펄스형 정상파를 이용해 분자를 분산시킨 후velocity map imaging 기법을 이용하여 분산된 분자의 횡방향 속도분포를 관측하였다. 관측 결과는 회전 양자 상태(J, M state)에 따라 달라지는 분자의 편극률을 이용하여 분석되었다. 동시에 회전 양자 상태에 따라 달라지는 레이저장과 분자의 상호작용을 이용한 분자궤적 시뮬레이션을 고안하여 실험 결과와 비교함으로써, 회전 상태에 따라 달라지는 편극률을 이용한 분석이 평균 편극률을 이용한 분석보다 실험 결과를 잘 설명할 수 있다는 것을 보였다. |
3. 기대효과본 연구 결과는 비극성 분자의 양자 상태 분리 방법에 토대를 마련함으로써, 저온 분자빔 소스나 움직이는 정상파를 적용한다면 비극성 분자의 회전상태에 따른 분리 방법을 정립하는데 결정적인 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 서로 다른 양자 상태에 분포하는 이성질체를 분리하여 서로 다른 이성질체의 반응 동력학을 연구하는 등의 후속 첨단 연구에 토대가 될 수 있어 응용할 수 있는 범위가 매우 크다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 펄스형 광학 정상파서로 반대방향으로 진행하는 동일한 펄스형 레이저빔의 간섭으로 인해 생기는 파동으로, 마디나 배의 위치가 공간적으로 정지해 있다. |
2. Velocity map imaging세 전극 (Repeller, Extractor, Ground)으로 구성되어 있으며, 전극 간 전압을 조건에 맞게 걸어주면 각 전극이 정전기적 렌즈 역할을 하여, 하전된 입자의 초기 위치와 무관하게 같은 속도를 가진 입자들을 같은 위치에 맺히도록 하는 기법이다. 이 기법은 화학 동역학 연구에 많이 이용되고 있다. |
3. 주파수 교정기분자의 회전상태는 양자화 되어있고 이를 회전 양자 상태라 한다. 회전 양자 상태는 분자의 회전 양상을 표현한다. 즉, 회전양자 상태에 따라 레이저 편광축과 분자의 회전 평면이 이루는 각이 달라질 수 있고, 이는 유효 편극률의 변화를 의미한다. |
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[붙임] 그림설명 |
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[그림 1]. (a) 세기가 4.9 × 1010W/cm2인 두 개의 레이저 빔으로 만든 펄스형 정상파에 의해서 퍼진 CS2 분자들을 velocity map imaging 기법을 통해 측정한 이미지. (b) CS2분자의 x방향 속도분포. (c) 분자의 회전 모형도. 그림 (a)와 (b)는 세기가 4.9 × 1010W/cm2인 두 개의 레이저 빔으로 만든 펄스형 정상파에 의한 CS2 분자의 속도변화를 보여준다. 그림 (a)는 velocity map imaging 기법을 이용해 측정한 이미지이며, 퍼진 분자의 2차원 속도 분포에 해당한다. 그림 (b)는 CS2분자의 x방향 속도분포이고, 이는 그림 (a)와 같은 2차원 속도분포의 vy축을 비닝한 그래프와 같다. 그림 (b)에서 실험결과(빨간실선)와 두 개의 분자궤적 시뮬레이션을 비교하여, 회전 상태에 따라 달라지는 편극률을 이용한 분석(파란 점선)이 평균 편극률을 이용한 분석(검은 파선)보다 실험 결과를 잘 설명할 수 있다는 것을 확인 할 수 있다. 그림 (b)의 노란색 영역은 큰 편극률을 갖는 회전상태의 분자의 속도분포를 나타낸다. 이는 그림 (c)의 위 모형도에서처럼 회전 각운동량 벡터(J)가 레이저장의 편광 방향(y축)과 수직에 가까운 경우, 즉 |M| 값이 작은 경우에 해당한다. 반면 파란색 영역은 J가 y축에 거의 평행하여 (그림 (c)의 아래 모형도) 편극률 값이 작은 회전상태의 분자들의 속도 분포이다. 이로부터, 회전상태에 따라 분자의 x방향 속도분포가 달라지는 것을 확인 할 수 있다. |
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