한국연구재단, DNA 움직임 등 원자보다 작은 동작 관찰 기술 개발

펨토초 레이저 광 빗 위상 분광기술 이용, 측정 분해능 240배 향상

▲나노입자의 움직임에 의해 펨토초 레이저 ‘광 빗’의 위상이 변화 : 시간에 따라 변화하는 금속 나노입자 쌍의 간격을 측정하기 위해서 광대역 펨토초 레이저 광 빗을 쏘아준다. 그러면 나노입자 쌍의 간격 변화에 따라 빛의 위상(무지개 빛)이 다르게 측정된다 ⓒ한국연구재단

DNA의 움직임과 같이 원자 크기보다도 작은 미세한 동적 변화를 관찰할 수 있는 기술이 부산대 김승철 교수와 싱가폴 난양공대 김영진 교수 공동연구팀에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 지난 12일 공동연구팀이 광대역 펨토초 레이저 광 빗 위상 분광기술을 이용해 기존 기술보다 측정 분해능은 240배 이상 높으며 속도는 1000배 빠른 플라즈모닉 자(ruler) 기술을 개발했다고 발표했다.

광대역 펨토초 레이저 광 빗은 레이저의 주파수가 매우 정밀하게 제어된 펄스 레이저이며, 나노미터 규모의 정교한 길이를 측정할 수 있게 해주는 플라즈모닉 자 기술은 플라즈몬 입자가 서로 접근할 때 스펙트럼이 변하는 현상을 이용해 나노 규모의 거리를 측정하는 기술이다.

기존 플라즈몬 측정이 빛의 파장 혹은 입사각에 따른 산란 혹은 흡수 광강도를 이용하여 샘플의 변화를 추출하는 반면 이 기술은 펨토초(1/1015초) 레이저 광 빗을 이용해 광주파수 영역(수백 테라헤르츠)에서 마이크로파 영역으로 광 위상 정보를 이동시켜 측정한다.

이로써 높은 측정 분해능, 빠른 측정 속도, 더불어 주변 환경외란에 둔감한 특성들을 동시에 구현하였다.

또한 플라즈몬 공명을 통해, 빛과 측정 샘플 간의 상호작용을 155배 증강하여 일으킴으로써, 기하학적인 동적 현상을 보다 높은 분해능으로 관찰했다.

이와 같은 광 빗의 플라즈몬 공명 현상에의 적용을 기반으로, 연구팀은 서브 나노미터급 원자 크기 수준인 1.94 Å의 작은 동적 거리변화를 1.67 pm(피코미터, 1/1012m)급 분해능으로 측정하여 보고했다.

이는 바이오/의료 분야의 DNA 및 RNA의 거동 측정과 기초 물리분야의 양자역학 이해와 더불어, 반도체 분야의 전자주사현미경 등 초정밀 장비들의 피코미터 급 보정 및 표준 확립에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲김승철 교수 ⓒ한국연구재단

김승철 교수는 “DNA, RNA 움직임 관찰, 양자역학 연구 뿐 아니라 전자주사현미경 등 초정밀 장비들의 피코미터 급 보정과 표준 확립에도 적용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이 연구 성과는 세계적인 권위지 네이처 피직스(Nature Physics) 11월5일자에 Plasmonic dynamics measured with frequency-comb-referenced phase spectroscopy이라는 이름으로 게재됐다.