10 -14 초 동안 벌어지는 물질의 빛 흡수 과정 관찰하기 투명한 물질은 일반적으로 빛을 흡수하지 않지만 , 2 광자 흡수 (two-photon absorption) 라는 비선형 광학효과에 의해 빛을 흡수하기도 한다 . 이러한 비선형 광학효과는 현미경 기술에 응용되어 보통의 가시광선 현미경이 도달할 수 없는 생체조직 깊숙한 곳의 암세포를 탐지하는데 성공하게 되면서 최근 들어 많은 관심을 받게 되었다. 생체 조직은 대부분 물로 이루어져 있어 거의 투명하다. (단지, 세포벽이나 조직 경계에서 산란이 심해져서 투명하게 보이지 않을 뿐이다.) 파장이 짧은 빛일수록 이미지를 선명하게 만들 수 있지만 파장이 짧으면 광자에너지도 크다. 현미경 이미지를 얻기 위해서 짧은 파장의 빛을 볼록렌즈로 초점에 모으면 생체 조직에 손상을 입힐 수 있다. 이 러한 문제를 해결하기 위해서 빛을 생체조직에 보낼 때는 파장이 긴 빛을 쓰되 영상을 얻을 때는 비선형 현상을 통해서 짧은 파장의 빛으로 영상을 얻는 2광자 현미경 방법이 인기를 끌고 있다 [1]. 현미경에서는 빛의 위상 변화를 이해하고 조절하는 것이 선명한 이미지를 얻는데 매우 중요하지만 , 정작 투명물질에서 일어나는 2 광자 흡수 현상 자체에 의한 빛의 위상 변화에 대한 정보는 측정의 어려움 때문에 그 동안 알려지지 않았다 . 우리 연구그룹은 , 우리 물리학과의 404 호 연구실에서 직접 개발한 펨토초 위상변화 분광기술 (femtosecond phase-change spectroscopy) 을 사용해서 투명한 물질에서 빛의 2 광자 흡수 현상에 의한 펨토초 레이저 펄스의 위상변화를 측정하는데 성공했다 [2]. 이 방법은 10 펨토초 정도에 일어나는 비선형 현상을 세밀하게 관찰할 수 있도록 해준다. 앞으로 여러 가지 투명한 물질의 비선형 광학특성 분석하는데 널리 사용될 수 있을 것이다 . * 참고로 , 1 펨토초는 10 -15 초이다 . 2광자 현미경의 위력을 보여주는 사진. 왼쪽
고체에 존재하는 새로운 입자를 찾아서 ... 고체에서는 대칭성이 자연적으로 깨진 상태에서 외부 섭동이 주어지면 집단적 흥분이 발생한다 . 격자 진동에 해당하는 포논과 정렬된 스핀들로부터 발생하는 스핀파가 좋은 예이다 . 이미 1970 년대부터 전자 오비탈이 공간적으로 정렬된 오비탈 정렬 상태에서 오비탈의 상대적인 모양의 변조가 오비탈 파동을 발생시킬 수 있다는 제안이 있었다 [1]. 2001 년에는 LaMnO 3 라는 모트 부도체에서 오비탈 파동을 라만 산란을 통해 실험적으로 발견했다는 보고도 있었지만 [2], 일반적인 포논과 구분이 애매하다는 논란이 있다 [3]. 최초의 실험적 연구로부터 20 년 가까운 시간이 지났지만 , 아직까지 오비탈 파동의 증거가 분명히 관찰되지는 않았다 . 최근까지 LaMnO 3 에 대한 다양한 분광학 연구 결과들이 축적되었다 . 특히 우리 연구진은 최근 연구에서 페로브스카이트 LaMnO 3 에서 , Jahn-Teller 포논과 결합된 오비탈 파동이 나타날 수 있으며 광학적 방법에 의해 탐지 될 수 있음을 주장했다 [4,5]. LaMnO 3 에서 오비탈 파동은 약 1~2 eV 의 광자 에너지 , 파장으로 치면 약 600 ~ 1200 nm 의 광자에 의해 여기될 수 있으며 , 우리의 계산에 따르면 고유진동수는 611 cm -1 에 해당한다 . 오비탈 파동의 고유한 특성은 교환 에너지 및 Jahn-Teller 결합 상수와 같은 변수에 의해 결정되지만 , 이러한 물리량들을 단순한 분광 실험으로 직접 결정할 수 없는데도 불구하고 기존의 분광 실험들은 모두 짧은 주파수 범위의 스펙트럼 분석만을 하고 있어서 오비탈 파동의 결정적 증거를 찾기 어렵다 . 따라서 , 기존의 주파수 스펙트럼 분석 방법을 너머서, 더 직접적으로 오비탈 파동의 특성을 나타내는 물리 현상을 관찰할 필요가 있다 . 새로운 실험 방법, 새로운 실험 장치 개발이 필요한 일이며, 현재 우리 연구 그룹은 이러한 연구에 매진하고 있다. 오비탈 파동의