전자 회절 기법의 분해능 개선

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 한국원자력연구원 초고속 방사선 연구실과 공동 연구를 통해 극초단 전자 펄스의 타이밍을 10펨토초(100조분의 1초) 안정도로 측정하고 제어하는 기술을 개발해 초고속 전자카메라(전자회절장치)의 성능을 높였다.

이 새로운 타이밍 안정화 기술을 이용하면 초고속 전자 회절 기법의 분석 능력을 크게 개선해 그래핀 등의 2차원 물질과 같은 첨단 물질들의 새로운 성질들을 규명할 수 있는 핵심 기술이 될 것으로 기대된다.

극초단 전자 펄스를 기반으로 한 회절 분석 기법은 전자 펄스의 짧은 펄스폭(수십 펨토초)과 광속에 가까운 속도(99.2%)를 활용해 태양광 소자, 차세대 전기·전자 소재 개발 등 미래 첨단 산업 분야를 위한 연구에 활용되고 있다.

한국원자력연구원은 이미 세계에서 가장 성능이 우수한 전자카메라를 보유하고 있으며, 이 기술 개발을 통해 기존 전자 회절 기법의 분해능 개선뿐만 아니라 이전에는 불가능했던 원자 내의 전자 동역학 관측에도 도전하게 됐다.

기존의 전자 펄스의 타이밍 안정화 기술들은 전자를 생성하는 고주파 마이크로파 신호와 레이저를 개별적으로 안정화했으나, 전자 펄스 자체의 타이밍을 장시간 안정화하지는 못하는 한계점이 있었다.

연구팀은 이러한 한계들을 극복하기 위해 테라헤르츠파 스트리킹(streaking) 기술로 전자 펄스의 타이밍을 측정하고 제어하는 시스템을 구현했다.

이러한 테라헤르츠파 스트리킹 기술의 선결 조건으로 먼저 전자 펄스를 발생시키는 데 필요한 레이저와 마이크로파 신호들의 정밀한 측정과 제어가 이뤄져야 한다.

연구팀은 레이저와 마이크로파 간의 정밀 동기화 시스템, 광 펄스의 모니터링 시스템, 자석 기반 전자 펄스 압축 시스템 등 다양한 레이저-마이크로파-전자빔 안정화 장치들을 하나씩 구현하고 최적화했다.

최종적으로 측정한 전자 펄스와 테라헤르츠파 사이의 시간 차이는 모터를 활용해 제어하고 보정했으며, 그 결과 세계 최초로 전자 펄스의 타이밍을 5.5펨토초 수준으로 4,600초 동안 안정화할 수 있었다.

이는 기존의 세계 최고 성능보다 4배 이상 향상된 시간 안정도다.

김정원 교수는 "지속적으로 이루어지고 있는 전자 펄스의 타이밍 안정도 개선과 초고속 전자카메라의 성능 향상이 다양한 태양광 소재 개발이나 전자구름 관측 등 차세대 기초 및 산업 연구 수요를 맞출 수 있을 것ˮ이라고 전망했다.

신준호 박사가 제1 저자로서 KAIST 박사과정 중 수행한 연구 결과를 발표한 이번 성과는 국제학술지 `레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews; IF=10.655)'의 2021년 2월호 표지논문(front cover)으로 2월 11일 字 게재됐다. (논문명: Sub-10-fs timing for ultrafast electron diffraction with THz-driven streak camera)