Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source
이 논문은 희소하고 언더샘플링된 데이터를 사용하여 유기 반도체 궤도의 최초 3차원 광전자 방출 궤도 토모그래피를 달성하기 위해, 초고속 운동량 현미경과 탁상형 고조파 발생 광원을 결합한 시너지 효과적인 실험적 및 알고리즘적 접근 방식을 제시한다.
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유령의 사진을 찍는다고 상상해 보십시오. 무서운 천을 뒤집어쓴 유령이 아니라, 분자 내부를 빠르게 질주하는 전자의 보이지 않는 '유령' 말입니다. 물리학의 세계에서 이 유령은 '파동함수(wavefunction)'라고 불리며, 원자들이 어떻게 서로 결합하는지, 물질이 어떻게 전기를 전도하는지, 그리고 빛에 어떻게 반응하는지에 대한 비밀을 간직하고 있습니다. 오랫동안 과학자들은 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 이 유령이 어떻게 생겼을지 추측하거나, 그들의 흐릿한 2차원 그림자만을 볼 수 있었습니다. 하지만 만약 당신이 이 전자 유령의 정확한 모양과 그것이 실시간으로 어떻게 꿈틀거리는지를 볼 수 있는 3D 스냅샷을 찍을 수 있다면 어떨까요? 그것이 바로 초고속 응축물질 물리학(ultrafast condensed matter physics)이라는 분야의 성배입니다. 이는 영화의 단 한 프레임만을 보는 것과 고해상도로 춤추는 무대 전체를 보는 것의 차이와 같습니다. 이러한 모양을 명확하게 보는 능력은 우리가 더 나은 태양전지, 더 빠른 컴퓨터 칩, 그리고 새로운 의약품을 설계하는 데 도움을 줄 수 있는데, 왜냐하면 우리 전자 세계의 모든 것은 이 작은 전자들이 어떻게 행동하느냐에 달려 있기 때문입니다.
이제, 자신들의 대학교 실험실에 '마법의 카메라'를 구축한 과학자 팀을 소개합니다. 보통, 이러한 전자 유령의 3D 스냅샷을 찍으려면 도시 한 블록 크기만한 입자 가속기인 싱크로트론(synchrotron)이라는 거대한 건물 규모의 장치가 필요했습니다. 그것은 비싸고, 희귀하며, 예약하기도 어렵습니다. 하지만 괴팅겐 대학교 연구진이 이끄는 이 팀은 그 거대한 기계를 '탁상용(table-top)' 크기로 줄였습니다. 그들은 레이저와 가스 제트를 이용한 영리한 기술을 사용하여 극자외선(EUV)이라는 특별한 종류의 빛을 만들어냈습니다. 이 빛을 전자의 움직임을 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 얼려버릴 수 있는 초고속, 초고휘도 스트로보 조명이라고 생각하십시오.
이 논문은 그들이 이 새로운 소형 광원을 사용하여 은(silver) 표면에 놓인 PTCDA라는 특정 분자의 3D 사진을 어떻게 찍었는지 설명합니다. 이를 위해 그들은 단순히 사진 한 장을 찍은 것이 아니라, 전자를 위한 CT 스캔처럼 다양한 각도와 에너지에서 사진을 찍었습니다. 그러나 그 많은 사진을 모두 찍는 것은 보통 시간이 매우 오래 걸리고 엄청난 양의 데이터를 생성합니다. 팀의 진짜 돌파구는 카메라뿐만 아니라, 사진을 처리하기 위해 작성한 '소프트웨어'였습니다. 그들은 퍼즐 해결사처럼 작동하는 스마트한 알고리즘을 개발했습니다. 설령 당신이 퍼즐의 흩어진 몇 조각(희소 데이터)만을 제공하더라도, 이 알고리즘은 분자의 모양과 대칭성에 관한 규칙을 사용하여 나머지 그림을 찾아낼 수 있습니다.
결과는 인상적입니다. 그들은 단 일곱 개의 서로 다른 빛 에너지 데이터만을 사용하여 분자의 가장 중요한 전자 궤도(HOMO 및 LUMO)의 전체 3D 형태를 성공적으로 재구성했습니다. 심지어 그들은 자신들의 '퍼즐 해결사'가 단 네 개의 에너지만을 사용해서도 매우 훌륭한 사진을 얻을 수 있다는 것을 보여주었는데, 이는 향후 실험이 훨씬 더 빨라질 수 있음을 의미하므로 매우 중요한 성과입니다. 그들은 자신들의 사진을 컴퓨터 시뮬레이션과 비교하였고, 모양이 완벽하게 일치함을 발견하여 이 방법이 작동한다는 것을 증명했습니다.
이것이 진정으로 흥분되는 이유는 속도 때문입니다. 그들의 광원은 초단파 펄스를 사용하기 때문에, 단순히 정지 사진을 찍는 것이 아니라 영화를 찍기 위한 무대를 마련하는 것입니다. 즉, 이제 그들은 빛이 분자에 부딪힐 때 전자 모양이 어떻게 변하는지를 펨토초 단위로 관찰할 수 있습니다. 논문은 이 작업을 수행하기 위해 거대한 싱크로트론이 반드시 필요하다는 생각을 명시적으로 부정하며, 대신 더 작은 실험실 기반의 설정으로도 충분하다는 것을 보여줍니다. 그들은 정적인 이미지에는 확신을 가지고 있지만, 시간 분해(time-resolved) '영화'를 위해서는 정적인 촬영에서 얻은 지식을 동적인 촬영을 안내하는 데 사용하는 등의 데이터 수집 전략을 수정해야 할 수도 있다고 제안합니다. 이 연구는 단순히 사진을 찍는 것이 아니라, 실험실 벤치 위에서 전자의 양자 댄스를 촬영할 수 있는 문을 열어줍니다.
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