GIST, 빛 이용한 초고속 전하 조작…단일 분자 양자 상태 실시간 제어 성공

한·일 공동연구팀, 화학 반응 실시간 제어 기술 개발

“초고속 전하 이동, 발광 현상 조작 등 가능성 열어”

THz-광학 STM을 이용한 단일 분자 발광 측정. ⓒ광주과학기술원

광주과학기술원(GIST)은 김유수 화학과 교수가 이마다 히로시 교수가 일본 이화학연구소, 요코하마국립대, 도쿄대, 하마마츠포토닉스, 울산대와 함께 분자 수준에서 일어나는 현상을 실시간 초고속으로 관측·제어할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

분자와 전극 사이에서 전하가 이동하는 현상(전하 교환)은 유기 소자나 촉매 표면에서 발생하는 화학 반응 등에서 나타나는 기본적인 분자 과학 현상 중 하나이다.

이러한 전하 이동 과정에서는 전하 상태나 여기자와 같은 과도적인 중간 상태가 형성된다. 그러나 이 상태들은 수명이 ps(피코초) 수준으로 매우 짧아, 그 특성을 조사하기 위해서는 초고속으로 전하를 제어하는 것이 필요하다.

최근 광학 기술이 발전하면서, 피코초 단위의 짧은 시간 폭을 가진 THz(테라헤르츠) 영역의 광 펄스를 사용해 초고속 전하 제어가 가능해졌다. 특히 THz 펄스를 주사 터널 현미경(STM)과 결합함으로써 nm 수준에서 물질에 전하를 주입할 수 있게 됐다.

기존 THz-STM은 전하 조작에 따른 전류만 측정할 수 있어, 분자에 전하를 주입했을 때 일어나는 분자 상태의 변화를 조사하는 데 한계가 있었다. 이에 연구팀은 STM에 광학 기술을 결합한 장치(광학 STM)를 개발해, 단일 분자 수준에서 다양한 양자 현상을 보다 정밀하게 관측하는 데 성공했다.

연구팀은 광학 STM과 THz 펄스를 결합한 THz-광학 STM 장치를 이용해, 중심에 팔라듐(Pd) 원자가 포함된 Pd 프탈로시아닌 단일 분자를 대상으로 실험을 진행했다.

THz 펄스를 STM에 조사해, 660 nm 근처의 파장 대역에서 분자의 발광을 검출할 수 있었다. 이 결과는 Pd 프탈로시아닌 분자의 프론티어 궤도(HOMO와 LUMO)에 전하가 주입되면서 여기자가 형성되고, 이로 인해 발광이 발생했음을 의미한다.

발광을 측정하는 동안 전류도 함께 측정한 결과 전류가 거의 흐르지 않았다. 이는 STM 탐침과 분자 사이에서만 전하가 교환됐으며, 분자를 통과하는 순전류가 거의 없었음을 가리킨다.

연구팀은 THz 펄스의 파형을 변화시켰을 때 발광 현상이 어떻게 변화하는지 조사했다. 여기서 THz 펄스의 파형은 캐리어 엔벨로프 위상이라는 물리량으로 표현할 수 있다.

김유수 교수는 “이번 연구를 통해 THz 펄스와 광학 STM을 결합해, 극한의 시공간 분해능으로 분자의 양자 상태를 측정하고 제어하는 방법을 확립했다”며 “이번에는 분자에서 방출된 빛을 검출하는 데 그쳤지만, 다른 레이저 광원과 결합하면 라만 산란 현상이나 광발광 등 다양한 광학 현상을 높은 시간 분해능으로 측정할 수 있는 길을 열게 될 것”이라고 말했다.