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[표지로 읽는 과학] 레이저로 분자를 만들어내다

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2018년 05월 26일 18:00 프린트하기

사이언스 제공
사이언스 제공

이번 주 사이언스 표지는 마치 성능 좋은 청소기같이 생긴 정체 불명의 기계가 차지했다. 이 기계의 정체는 표지 한 켠에 쓰여있는 ‘SINGLE-MOLECULE MAKER’, 즉, ‘단일 분자 제조기’ 라는 제목에서 유추할 수 있다. 


사진 속 기계는 분자가 만들어지는 화학 반응을 일으키는 진공 챔버로, 챔버 안에는 화학반응을 일으킬 원자가 포획돼 있다. 오른쪽으로 뻗은 선을 통해 두 원자의 화학반응을 일으키는 레이저 빔이 나온다. 


화학반응은 대개 반응물질이 만나서 충돌할 확률에 의해 결정된다. 각각의 반응물질의 운동성이나 크기 등에 따라 반응이 일어날 확률이 달라지기 때문에, 원하는 화학반응만을 일으키는 것은 불가능했다. 


강 쿠엔 니(Kang-Kuen Ni) 하버드대 화학및화학생물학과 교수팀은 광학 집게(optical tweezer)를 이용해 나트륨(Na)과 세슘(Cs)의 원자를 조립해 NaCs라는 하나의 분자를 만드는 데 성공했다. 광학 집게는 레이저와 입자 사이에 작용하는 인력과 척력을 이용해 원자를 고정시키는 방법이다. 연구팀은 나트륨과 세슘 원자를 광학 집게로 각각 분리해 고정시킨 뒤, 화학반응을 일으키는 빛을 쐈다. 화학반응은 빛의 파동에 의해 결정됐다. 


이번 연구는 양자 컴퓨터 연구를 포함한 다양한 연구에 응용될 수 있다. 양자 컴퓨터는 물질의 양자적 특성인 중첩 상태를 이용해 빠른 정보 처리가 가능한 미래형 컴퓨터다. 기본 단위인 큐비트는 중첩상태가 유지될 수 있는 물질이어야 하는데, 자연계에는 이런 물질이 많지 않다. 때문에 연구자들은 중첩상태를 가지는 물질을 설계하고 합성하는 데 많은 시간과 노력을 들이고 있다. 


빛을 이용해 연구자가 원하는 화학반응을 일으켜 하나의 분자를 만들 수 있는 이번 연구는 중첩상태를 유지할 수 있는 분자를 인위적으로 합성하는 데에도 활용될 수 있다. 또한 연구팀은 원자를 고정시키기 위해 레이저를 이용해 원자의 온도를 절대온도 근처까지 낮췄다. 레이저 냉각(laser-cooling)이라고 불리는 이 기술을 이용하면 상온에서는 볼 수 없었던 원자 의 양자역학적인 현상들을 관찰할 수 있다. 

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