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광주과학기술원(GIST)과 일본 공동 연구팀이 테라헤르츠(THz) 광을 이용해 단일 분자의 양자 상태를 초고속으로 제어하는 기술을 개발했다. 머리카락보다 작은 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기 물질의 상태 변화를 1조분의 1초 단위로 실시간 관측하고 조작하는 데 성공한 것이다.

GIST는 화학과 김유수·이마다 히로시 교수 연구팀이 일본 이화학연구소(RIKEN), 요코하마국립대, 도쿄대 등과 함께 이 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

연구팀은 주사터널현미경(STM)과 테라헤르츠(THz) 광을 결합한 장치를 개발했다. STM은 원자 크기의 날카로운 금속 바늘로 표면을 스캔해 원자 수준의 이미지를 얻는 장치다. 여기에 테라헤르츠 광을 결합해 단일 분자를 초고속으로 조작할 수 있게 됐다.

일상에서 접하는 모든 물질은 분자로 이루어져 있지만, 이 분자들이 어떻게 상호작용하는지는 직접 관찰하기 어렵다. 분자에서 전자가 이동하는 현상은 화학 반응의 핵심이지만, 이 과정이 너무 빨라 관측하기 어려웠다.이 과정에서 형성되는 중간 상태의 수명은피코초(ps, 1조분의 1초) 수준이다.

연구팀은 빛을 통해 분자의 순간적움직임을파악하려고 시도했다.중심에 팔라듐(Pd) 원자가 있는 프탈로시아닌이라는 분자를 대상으로 실험했다. 프탈로시아닌은 청색 염료로 사용되는 분자로, 태양전지나 유기 발광 소자에도 활용된다.

이 분자에 테라헤르츠 펄스를 쏘자 660nm 파장의 빛이 방출됐다. 연구팀은 이 현상을 정밀하게 분석해 분자 내에서 일어나는 전자 이동을 실시간으로 관찰할 수 있었다.

분자는 전자가 채워진 '최고 피차 궤도(HOMO)'와 비어있는 '최저 공백 궤도(LUMO)'라는 에너지 상태를 갖고 있다. 이는 마치 여러 층으로 된 건물에서 사람들이 채워진 아래층과 비어있는 윗층과 같다.

또한 연구팀은 테라헤르츠 펄스로 분자의 LUMO에 전자를 주입해 음전하 상태를 만들고, 이어서 HOMO에서 전자를 빼내 양전하(정공)를 만들었다. 이렇게 하면 분자 내에 음전하와 양전하가 공존하는 '여기자'가 형성되고, 이 여기자가 소멸할 때 빛이 방출된다.

연구팀은 테라헤르츠 펄스의 파형을 정밀하게 조절해 언제, 어떤 순서로 전자를 주입하고 빼낼지 제어할 수 있었다. 캐리어 엔벨로프 위상이라는 값이 210°일 때 가장 효율적으로 여기자가 형성되었다.

이번 기술은 유기발광다이오드(OLED)나 태양광 패널 등 전하 이동과 발광 현상이 중요한 유기 전자기기의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 분자 수준에서 일어나는 에너지 변환과 화학 반응을 실시간으로 제어할 수 있게 됨에 따라 다양한 양자 현상을 정밀하게 관측하고 활용할 수 있게 됐다.

이마다 히로시 교수는 STM과 나노 광학 기술을 융합한 측정 방법 개발 성과를 인정받아 지난 2월 일본 시마즈과학기술진흥재단이 주최한 '제7회 시마즈 장려상'을 수상했다.

김유수 교수는 "이번 연구를 통해 극한의 시공간 분해능으로 분자의 양자 상태를 측정하고 제어하는 방법을 확립했다"면서 "다른 레이저 광원과 결합하면 라만 산란이나 광발광 등 다양한 광학 현상을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 길이 열릴 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학 학술지 '사이언스(Science)'에 7일 게재됐다.

육지훈 기자editor@popsci.co.kr