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수소분자에서 광자가 전파되는 시간 측정

수소분자 광이온화에서 젭토초(Zeptosecond) 시간 지연 발생
처음으로 수소 분자에서 광자가 전파되는 시간을 측정했다.

시간 측정의 세계 기록 :
물리학자들이 가장 짧은 시간 범위인 247 zeptoseconds를 기록했다.
이것은 광자가 수소 분자(H2)에서 한 원자에서 두 번째 원자로 날아가는 데 걸리는 시간이다. 측정은 또한 분자의 전자 껍질이 광 이온화에 대한 지연과 반응하는 것으로 나타났다.
광자는 수소의 전자를 차례로 녹아웃 시킨다.

▲ 광자 (노란색)가 수소 분자를 통과하는 데 얼마나 걸릴까? 분자 전자 껍질이 이것에 얼마나 빨리 반응할까? 물리학자들이 이것을 처음으로 측정했다. © Sven Grundmann / 프랑크푸르트 괴테 대학교

이것은 빛과 물질 사이의 기본적인 상호 작용이다.
고에너지 빛이 원자나 분자에 닿으면 전자를 더 높은 에너지 수준으로 올리거나 완전히 방출 할 수 있다. 이것을 광이온화라고 한다. 오랫동안 이것은 지속 시간을 측정하기에는 너무 빠른 것으로 여겨졌다. 그러나 레이저 기술 덕분에 연구자들은 전자가 광자의 도착에 약간 지연되고 텅스텐 원자에서 광이온화에 걸리는 시간을 확인했다. 그 과정도 촬영되었다.

최근 한 단계 더 앞으로 나아갔다.
프랑크푸르트 괴테 대학의 스벤 그룬트만(Sven Grundmann)과 함께 일하는 연구원들은 광자가 수소 분자의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 데 필요한 시간과 분자의 전자껍질이 빛에 의한 광이온화에 어떻게 반응하는지 처음으로 측정했다. 지금까지 그러한 측정은 원자에 대해서만 수행되었기 때문이다.

빛의 속도로 분자를 통해

실험을 위해 물리학자들은 수소분자(H2)를 고도로 집중된 X-선 광자 빔에 노출 시켰다.
에너지는 이 방사선의 하나의 광자가 수소 분자에서 두 전자를 빠르게 연속적으로 제거하기에 충분하도록 주입됐다. 이 과정의 타이밍을 추적하기 위해 연구원들은 소위 COLTRIMS 반응 현미경을 사용했다.

이 기기는 전자껍질에서 생성된 파동을 감지하고 간섭 패턴을 사용하여 프로세스 기간을 측정 할 수 있다. "우리는 수소 분자의 공간적 방향을 알았기 때문에 광자가 첫 번째 수소 원자에 도달했을 때와 두 번째 수소 원자에 도달했을 때 두 전자파 사이의 간섭으로부터 매우 정확하게 계산할 수 있었다"고 Grundmann은 설명했다.

지금까지 측정된 가장 짧은 시간

결과 :
X선 광자가 수소 분자를 한 번 통과하는 데 평균 247 zeptoseconds가 걸린다.
이것은 측정할 수 있는 가장 짧은 시간이다. 젭토 초는 10억분의 1초에 해당한다.
즉 10^-21 초다. 광자는 빛의 속도로 날아가지만 작은 수소 분자에서도 순간적으로 두 원자를 연속적으로 부딪히지는 않는다.

그리고 이 가장 작은 분자의 전자껍질은 또한 지연적으로 반응한다.
“우리가 처음으로 관찰한 것은 분자의 전자껍질이 모든 곳에서 동시에 빛에 반응하지 않는다는 것이다”고 Grundmann의 동료 라인하르트 되르너(Reinhard Dörner)가 설명했다.
대신, 전자파는 분자 전자 궤도를 통해 전파하는 데 일정 시간이 걸린다.
이 시간의 길이는 광자가 분자의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 걸리는 시간에 따라 달라진다. (Science, 2020; doi : 10.1126 / science.abb9318)

출처 : Goethe University Frankfurt am Main

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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