연구성과

POSTECH 공동연구진, 그래핀 전자 가속기의 고에너지 빛 방출 원리 규명

2023-02-12 556

[극단의 비선형 광학 연구에 대한 새로운 시야 제공]

강한 전자기장을 걸어 진공에서 전자를 빠르게 가속하면 강력한 전자기파가 방출된다. 이러한 원리를 활용하여 ‘빛 공장’이라 불리는 방사광가속기는 태양 빛보다 100경 배 밝은 빛을 만들어내며 반도체, 배터리, 바이오 신약 소재 등의 구조를 원자 수준으로 분석할 수 있다. 최근 POSTECH 공동연구진이 그래핀 (Graphene) 내부의 전자를 빠르게 가속해 높은 에너지의 빛을 방출시킬 수 있는 원리를 처음으로 밝혔다.

신소재공학과 김종환 교수‧조문호 교수(기초과학연구원 반데르발스 양자 물질 연구단 연구단장)‧통합과정 김민정 씨‧차순영 박사와 DGIST 화학물리학과 이재동 교수, 김영재 박사로 구성된 국내외 공동연구진은 초고속 레이저 분석법을 이용하여 전자가 가속하며 전자기파를 방출하는 양자 경로를 규명하였다. 이 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)’에 소개됐다.

진공과 달리 고체 내부의 전자는 높은 밀도의 원자와 충돌하기 쉽기 때문에 가속하기 어려운 것으로 알려져 왔다. 하지만 2010년, ZnO (산화아연) 반도체 결정에 강력한 중적외선 레이저장을 한곳으로 모으면 전자를 빠르게 가속할 수 있다는 연구가 발표된 이래, 관련 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

고체에서의 고에너지 전자기파 생성은 최대 40 eV (전자볼트) 정도의 높은 광자 에너지를 가진 광원을 실현할 수 있는 새로운 방법으로 거론되고 있으며, 고출력 극초단 레이저 주기 내에서 생성되는 전자 상태를 조사하는 도구로서 주목받고 있다. 방출된 전자기파 스펙트럼과 편광을 분석하면 운동량 공간에서 전자가 움직이는 양자 경로를 시각화할 수 있으며, 이를 통해 밴드 구조를 측정하고 베리 곡률(Berry curvature)과 천 넘버(chern number)와 같은 흥미로운 전자 물성을 측정할 수 있을 것으로 기대되고 있다.


특히, 그래핀의 전자는 질량이 없는 독특한 입자 특성으로 인해 작은 전기장으로도 매우 빠르게 움직이며, 고에너지 전자기파를 쉽게 방출할 수 있을 것으로 기대되었다. 하지만 그래핀과 같이 밴드갭이 없는 반금속 물질에서는 전자들이 여러 복잡한 양자 경로를 동시에 택하여 이동할 수 있기 때문에 전자기파 발생 원리를 분석하는 것이 매우 어려웠다. 연구진은 그래핀이 방출하는 전자기파가 내부의 전하량에 따라 세밀하게 제어되는 점을 활용하여, 전자가 가속하는 양자 경로를 포착하는데 성공했다. 연구진은 해당 원리를 기반으로 새로운 고에너지 광원이나 레이저 물질 분석법을 개발할 수 있을 것으로 기대한다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원사업과 기초과학연구원 사업의 지원으로 수행됐다.