Quantum Ultrafast Imaging Laboratory

많은 화학·물리적 현상은 우리가 직접 관측하기 어려운, 짧은 시간 (나노초~펨토초) 동안만 유지되는 상태에서 일어난다. 분자나 전자 수준에서 일어나는 개별적인 사건에 해당하는 미시적 변화 (에너지 전달, 전하 이동 등)와 이러한 사건들이 모여 나타나는 거시적 변화 (구조 변화, 전자적 성질 변화 등)에 이르기까지, 물질의 모든 성질 변화는 초고속 동역학 과정을 거쳐 전개된다. 즉, 이러한 동역학 과정으로 상태가 어떻게 생성되고 진화하느냐가 물질의 기능과 성능을 결정짓는 핵심이다. 우리 연구실은 기능성 분자 및 나노 물질에서 나타나는 초고속 동역학을 연구한다. 들뜬 상태가 시간에 따라 어떻게 (에너지 전달, 전하 이동 등) 생성되고 진화하며 소멸되는지를 정량적으로 추적한다. 또한 이러한 동역학이 국소적인 구조 변화와 전자적 성질의 변화로 어떻게 이어지는지 직접 관찰함으로써, 물질의 구조-기능 상관관계가 어떻게 결정되는지 메커니즘을 이해하고자 한다. 이와 같은 초고속 동역학을 분석하기 위해, 우리는 반응을 유도하는 자극과 그에 따른 변화를 시간 지연을 두고 추적하는 pump–probe 방식을 사용한다. 펨토초 레이저 펄스(pump)로 물질의 반응을 유도한 후, 일정한 시간 지연 후의 탐침(probe; 빛 혹은 전자)을 이용해 시료의 상태를 측정함으로써, 시간에 따른 반응을 추적한다. 이러한 접근법을 바탕으로, ultrafast spectroscopy와 ultrafast microscopy는 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 형성되는 초고속 동역학을 연구하는 핵심적인 도구로 활용되고 있다. ultrafast spectroscopy는 들뜬 상태에서의 에너지 및 전하 거동을 시간적으로 정밀하게 추적할 수 있고, ultrafast microscopy는 이러한 동역학이 국소적인 구조 및 물성 변화로 어떻게 연결되는지를 공간적으로 직접 관찰할 수 있게 해준다. 생체 내 반응과 화학 공정에서의 분자 거동을 이해하기 위해서는 반응이 시간에 따라 어떻게 진행되는지를 정량적으로 파악하는 분자 동역학 연구가 필수적이다. 특히 용액상에서의 반응은 분자 간 상호작용과 확산, 용매 재배열이 동시에 작용하는 복잡계 동역학으로 나타나며, 이러한 과정은 분자 수준에서의 시간에 따른 변화를 추적해야 이해할 수 있다. 이러한 용액상 분자 동역학을 연구하기 위해 광산 (photoacid) 분자를 모델 시스템으로 활용한다. Fluorescence upconversion과 시간 상관 단일 광자 계수법(TCSPC)을 이용하여 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 일어나는 여기 상태의 생성과 이완, 양성자 이동, 그리고 분자 간 확산 과정을 시간에 따라 추적함으로써, 용액 환경에서 나타나는 반응 동역학의 기본 원리를 규명하고자 한다. 태양전지와 광촉매와 같은 에너지 변환 물질은 태양 에너지를 효율적으로 활용하고 지속 가능한 에너지 기술을 구현하기 위해 활발히 연구되고 있다. 이러한 물질의 성능은 빛을 흡수한 직후 형성되는 여기 상태에서의 에너지 전달과 전하 거동에 의해 결정되며, 이 과정에서 발생하는 손실과 비효율이 실제 응용을 제한하는 주요 요인으로 작용한다. 이러한 한계를 이해하기 위해, ultrafast spectroscopy를 활용하여 펨토초에서 나노초 시간 영역에서 일어나는 들뜬 상태의 생성과 이완 과정을 시간에 따라 추적한다. Transient absorption spectroscopy와 fluorescence upconversion spectroscopy를 상호보완적으로 적용함으로써, 여기 상태의 생성과 소멸, 전하의 이동, 그리고 발광 상태의 이완 과정을 선택적으로 관찰하며, 에너지 변환 과정에서의 손