“화학반응의 양자역학적 제어로의 첫걸음 달성”
분자의 양자 상태를 컨트롤하여 분자 간 충돌을 제어
채은미 교수(공동저자)
물리학과 채은미 교수는 하버드 도일 교수 연구팀과 공동으로 양자역학적 법칙을 이용하여 화학반응의 근간이 되는 분자간 충돌을 제어하는데 성공하였다. 해당 연구에서는 분자의 회전 양자 상태를 마이크로파로 제어할 경우, 마이크로파의 주파수에 따라 분자간 상호작용이 척력 혹은 인력으로 변하는 것을 이론적, 실험적으로 입증하였다. 또한, 이를 이용하여 화학반응의 근간이 되는 분자간 충돌을 원하는 대로 엔지니어할 수 있음을 보였다. 분자의 양자 상태를 제어하기 위해서는 해당 분자가 극저온의 온도를 가지고 있어야 한다.
높은 온도에서는 볼츠만 분포에 의하여 분자가 수많은 양자 상태에 분포할 수 있기 때문이다. 해당 연구에서는 원자 물리 실험에서 널리 활용되고 있는 레이저 냉각을 이용하여 분자를 수 마이크로 켈빈 영역까지 냉각시켰다. 그 후 개개의 분자를 광집게 하나하나에 포획한 후, 두 광집게를 합쳐서 분자간 충돌을 유도하였다. 이 때, 각 분자의 회전 양자 상태 – 분자를 구성하는 원자가 분자의 축방향과 직각으로 회전하는 자유도 – 에 해당하는 마이크로파를 조사하여 분자가 충돌할 때의 양자 상태를 조절한다.
마이크로파의 주파수가 공명주파수보다 큰 경우에는 분자간에 척력이 작용하고, 따라서 분자가 서로 가까이 가지 못하여 충돌이 일어나기 힘들어 진다. 반대로, 마이크로파의 주파수가 공명주파수보다 큰 경우에는 분자간에 인력이 작용하여 분자간의 충돌이 더 쉽게 일어난다. 본 연구는 양자역학의 법칙을 이용하여 분자간 상호작용을 조작하고, 더 나아가 화학반응을 제어할 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 분자들의 충돌을 효과적으로 억제하는 방법을 확립함으로써, 극저온 분자를 활용한 다양한 양자 기술 - 양자 시뮬레이션,
양자 센싱 등 – 의 성장 토대를 마련하였다.
이번 연구는 국제학술지 ‘Science’에 2021년 8월 13일
게재되었다.
- 논문명 : Observation of microwave shielding of ultracold molecules
- 저자 정보 : 채은미 교수(공동저자/고려대학교)
[그림 1] 마이크로파를 이용한 분자간 상호작용 제어
[그림 2] 마이크로파 주파수에 따른 분자간 충돌 빈도의
변화