포스텍 송창용 교수팀, 비평형상태 원자 배열 확인

4세대 방사광가속기로 관측

포스텍 물리학과 송창용<사진> 교수 연구팀이 최근 포항 4세대 방사광가속기의 엑스선을 이용해 비평형 상태에서 이례적으로 원자가 나란히 정돈되는 현상을 관측했다고 4일 밝혔다.

‘비평형상태’란 물질에 레이저를 비췄을 때 그 안에 들어 있는 전자만 뜨거워지고 원자는 여전히 차갑게 남아있는 상태를 말한다. 레이저로 강한 빛을 가하면 물질이 빠르게 녹기 때문에 자연스럽게 녹는 평형상태에서 볼 수 없었던 새로운 상태를 볼 수 있다.

이에 따라 강한 레이저를 쬔 시료가 녹는 찰나의 순간을 4세대 방사광가속기의 엑스선 자유전자레이저(XFEL)로 포착했다. XFEL을 이용하면 나노미터(10억분의 1m) 단위의 공간과 펨토초(1천조 분의 1초) 단위의 시간까지도 쪼개서 볼 수 있다.

그 결과 시료가 녹는 과정에서 온도가 높아짐에도 불구하고 표면의 원자들이 나란히 정렬됐다. 표면의 원자가 정렬되며 각이 진 평면들이 만들어져 다면체 형태를 띠기도 했다. 온도가 높아짐에 따라 엔트로피, 즉, 원자의 무질서함이 늘어나는 열역학적 법칙과 반대되는 현상이다.

송창용 교수는 “물질이 빛에 의해 녹는 과정에서 기존의 이해와 상반되는 표면 원자의 정렬 현상이 나타남을 XFEL을 이용해 직접 관측했다”며 “온도가 높아지는 상황에서 물질이 더욱 정돈되는 이 반응은 평형상태의 열역학 반응 규칙을 거스르는 결과”라고 말했다.

/이시라기자 [e-mail]