"1 as = 0.000000000000000001 sec"
Attosecond science is a branch of strong field physics that investigates ultrafast phenomena in nature. An attosecond (1 as = 10-18 sec) is a characteristic time scale for the description of electron dynamics. The electron plays a key role in many phenomena: it determines molecular structure and bond formation; it relays information and is used in calculations in electronic devices, and it absorbs and emits radiation. The control of chemical processes, revolutions in communications and computing, and generation of novel light sources are areas of research that benefit from the study of ultrafast electron dynamics. The goal of attosecond science is to understand and manipulate ultrafast electron dynamics in a variety of materials such as atoms, molecules, and solids with the purpose of future applications.
Attosecond science laboratory (lead by Group Leader Prof. Kyung Taec Kim) is a sub research group of the Center for relativisitic laser science (lead by Director Chang Hee Nam). The following areas are the research subject interested.
전구처럼 퍼지는 빛과 다르게, 레이저는 (LASER) 좁은 면적 안에 포집되어 일정한 방향으로 진행할 수 있는 빛입니다. 그 중에서도 짧은 '순간' 안에 에너지가 모여있는 파동형 레이저는 (Pulsed LASER) 우리 주변에서 보기 힘든 다양한 현상을 일으킬 수 있습니다. 이를 물질-레이저 간 상호작용이라고 (laser-matter interaction) 부릅니다. 물질-레이저 간 상호작용에 대한 연구는 레이저 기술과 함께 놀라운 속도로 발전해왔습니다. 1960년대에 nanosecond (10-9 s) laser pulse가 탄생한 이래로, mode-locking, Chirped Pulse Amplification (CPA) 등의 기술의 도움을 받아 1990년대부터 레이저 파동의 시간 폭이 femtosecond (10-15 s) 정도의 길이를 가지게 되었습니다.
레이저 파동의 시간 폭이 짧을 수록 좋은 이유는 다음과 같습니다. 첫째로, 같은 파동 에너지 (pulse energy) 대비 더 짧은 시간 내에 물질 내에서 강한 상호 작용을 일으킬 수 있습니다. nanosecond는 femtosecond에 비해 1000000 배이므로, femtosecond의 폭을 가진 레이저 파동의 세기가 (intensity) 1000000 배 강합니다. 예를 들어 nanosecond pulse로 물질을 데우는 수준이라면, 같은 pulse energy를 가지는 femtosecond pulse는 물질에 심각한 변형을 일으킬 수 있습니다. 물론 충분히 강한 nanosecond pulse도 물질에 열로 인한 변형을 일으킬 수 있습니다만, femtosecond 혹은 attosecond pulse을 이용하면 그만큼 더 다양한 현상을 볼 수 있다는 얘기입니다.
둘째, 더 짧은 시간 내에서 일어나는 현상을 관찰할 수 있습니다. 주사율이 60Hz와 120Hz인 스마트폰 화면에서 보이는 움직임의 부드러움이 다르듯, 펄스 폭에 따라 관찰할 수 있는 물리 현상이 다릅니다. 예를 들어, 화학 반응 중 물 분자가 1개의 산소 원자와 2개의 수소 원자로 분리되는 현상은 femtosecond (10-15 s) 내에서 관찰할 수 있지만, 수소 원자에서 전자가 공전하거나 이온화되는 현상은 attosecond (10-18 s) 내에서만 관찰이 가능합니다.
이처럼 아토초 과학 연구실에서는 초강력 펨토초 레이저를 이용해 아토초 엑스선 펄스를 생성, 원자 및 분자의 구조변화를 아토초의 시간 분해능으로 연구합니다. 이와 함께, 펨토초 레이저를 이용해 나노구조체 내의 전자를 조작해 새로운 개념의 전자회로 개발 가능성을 연구하고 있습니다. 또한, 초강력 펨토초 레이저를 이용해 상대론적인 영역까지 가속된 전자들로부터 생성되는 아토초 엑스선 펄스의 생성 및 측정에 대한 연구도 진행되고 있습니다. 이러한 연구 결과는 학술적으로도, 산업적으로도 높은 부가 가치를 가지고 있습니다.
이렇게 유망한 분야임에 반해, 아토초 과학에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았습니다. 그 이유는 attosecond science 연구를 하려면 femtosecond laser system에 비해 더 복잡한 기술, 더 고도화된 시설, 그리고 더 많은 자본이 필요하기 때문입니다. 반대로 말하면, 설비만 잘 갖춰져 있다면 attosecond science는 연구 주제가 무궁무진한 분야입니다.
"Welcome to attosecond science lab: 설비는 준비되어 있으니, 몸만 오시면 됩니다!"
우리 아토초과학연구실에는 아토초 과학 실험을 위한 설비들이 준비되어 있습니다: Femtosecond laser 다수와 attosecond pulse를 만드는데 사용할 수 있는 기체, 고체 및 액체 샘플들, 각종 고급 장비들과 재료들까지 (거울, 렌즈, 필터 등). 필요한 것은 여러분과 같은 '인재'입니다.
