"녹는 순간 더 단단"…세계 첫 금속 용융점 10조분의1초 관측 성공

광주과학기술원 연구팀

사진은 기사 중 특정 표현과 무관. [이미지출처=게티이미지뱅크]

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 세계 최초로 금속이 녹는 10조분의 1초의 찰나의 순간을 관측, 액체로 상전이 하는 순간 더 강해졌다가 약해진다는 이론을 입증하는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 조병익 물리·광과학과 교수 연구팀이 금속이 녹아 고체에서 액체로 변화하는 순간을 실시간으로 관측하는데 성공했다고 11일 밝혔다. 극한의 시공간 영역에서 물질의 신물성을 발견하고 핵융합 연구 등 미래 에너지 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 강력한 레이저에 의해 원자간 결합이 변화하며 금속이 녹는 10조분의 1초의 찰나의 순간을 관측하기 위해 엑스선 자유전자레이저에서 방출되는 펨토초(1천조분의 1초) 엑스선 펄스를 이용해 녹는 순간의 전자구조 변화에 대한 엑스선 분광 신호를 포착해냈다.

강력한 레이저에 의해 초고온으로 가열된 물질, 특히 금, 은, 구리와 같은 귀금속류가 액체로 변화할 때 순간적으로 원자간 결합이 강화돼 더욱 단단한 상태를 거쳐 액체로 상전이 될 수도 있다는 이론적 예상이 10여 년 전 해외연구진에 의해 보고되었으나, 그러한 현상이 직접적으로 관측된 적은 없었다.

이는 기존의 엑스선 측정기법의 시간분해능이 약 10 피코초(1000억 분의 1초) 수준에 머물러 있어 원자결합의 변화가 일어나는 1 피코초 미만의 시간영역을 측정하는데 한계가 있었기 때문이다.

연구팀은 기존의 시간 한계를 넘기 위해 엑스선 자유전자레이저에서 방출되는 펨토초(1천조분의 1초) 엑스선 펄스를 이용한 초고속 엑스선 분광법을 사용했다. 강력한 레이저를 이용해1만도 이상의 초고온으로 구리를 가열하였다. 이때 원자간 결합에 관여하는 전자들 중 약 10% 정도가 들뜬상태로 진입하지만 남은 전자들은 원자핵의 강력한 인력에 더욱 많이 노출되어 더욱 단단히 결속되는 현상이 발생하는 것을 초고속 엑스선 분광법을 이용해 처음으로 관찰했다.

결합이 더욱 강화된 초고온의 단단한 구리는 수백 펨토초에 걸쳐 유지되다가 이후 서서히 약해진다. 이는 가열된 물질이 녹을 때 원자간 결합이 바로 약화되어 액체로 변화할 것이라는 기존의 통념에 반하는 결과이다.

실제로 레이저 핵융합, 지구 내부 등 극한의 온도, 압력 환경에서는 기존에 알려진 것과는 다른 특이물성들이 많이 나타나는데, 강력한 레이저에 의해 가열된 초고온 물질에 대한 초고속 엑스선 연구를 통해 1만도 이상의 초고온 물질이 순간적이나마 더욱 단단해 질수도 있다는 점은 극한의 특이 물성을 이해할 수 있는 열쇠를 제공하고 있다.

조병익 교수는 “펨토초 엑스선 분광법을 이용하면 초고속 영역에서 원자 결합을 관찰하는 것 외에도 극한의 시공간 영역에서 다양한 특이현상을 관측하는 것이 가능하다”면서 “연구과정에서 축적한 지식과 경험을 바탕으로 핵융합 에너지 연구 등 세계 과학계에서 주도적인 역할을 할 수 있기를 희망한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 물리학 분야 최고 권위의 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 지난달 22일 온라인 게재되었다.