교과서 뒤흔들 '빛의 신비'…강한 빛 쏘니 열역학 법칙 달라졌다

X선 자유전자레이저 쏘아, 1000조분의 1초 순간 포착

포스텍(POSTECH) 연구진이 X선 자유전자레이저(XFEL)를 이용해 빛에 의한 물질의 초고속 상변화 과정을 실시간 관측했다. / 사진제공=POSTECH

# 얼음이 물로 변하고, 물이 증기로 바뀌는 과정에선 원자는 무질서한 상태를 띤다. 에너지 증가에 따라 원자 움직임이 많아지는 현상이다. 이처럼 자연 현상은 대부분 온도를 올리면 물질의 무질서도가 올라간다. 과학계에선 이를 열역학적 상태를 나타내는 물리량, '엔트로피'라고 일컫는다.

국내 연구진이 최근 온도가 높아짐에 따라 엔트로피, 즉 원자의 무질서함이 늘어나는 열역학적 법칙과 반대되는 현상을 포착했다.

4일 포스텍(POSTECH)에 따르면, 송창용 물리학과 교수 연구팀은 강한 레이저 빛을 쏘아 물질의 무질서도가 이전의 규칙적인 상태로 되돌아가는 사실을 최초 관측했다.

그동안 레이저 빛을 가하면 물질(얼음)이 빠르게 녹기 때문에 녹는 찰나의 순간을 포착할 수 없었다.

하지만 연구팀은 포스텍에서 운영 중인 4세대 방사광가속기를 활용해 시료가 녹는 순간을 포착했다. 방사광은 자외선과 X선을 인공적으로 만든 빛이다. X선 자유전자레이저(XFEL)를 활용하면 펨토초(1000조분의 1초) 단위 현상을 파악할 수 있어 나노 크기 물질 분석이 가능하다.

연구팀은 녹는 시료에 X선 자유전자레이저라는 강한 빛을 쬐었다. 이 빛의 강도는 금속이 파일 수 있는 정도다. 그 결과, 온도가 높아짐에도 불구하고 표면의 원자들이 나란히 정렬됐다. 얼음이 녹으면 각이 진 평면들이 둥글게 되지만, 녹는 순간에 빛을 쏘자 각이 진 평면들이 다시 만들어졌다.

이 성과는 비평형상태에서 나타나는 물질의 변화를 순간 포착해 얻은 성과다. 비평형상태란 물질에 레이저를 비췄을 때, 그 안에 들어 있는 전자만 뜨거워지고 원자는 여전히 차갑게 남아 있는 상태를 뜻한다. 이는 앞으로도 빛을 이용해 자연적으로 발생하지 않는 물질의 새로운 상태를 확인하고, 물질의 상태를 뒤바꿀 수 있다는 의미다.


송창용 교수는 "물질이 빛에 의해 녹는 과정에서 기존의 이해와 상반되는 표면 원자의 정렬 현상이 나타났다"며 "온도가 높아지는 상황에서 물질이 더욱 정돈되는 이 반응은 평형상태의 열역학 반응 규칙을 거스르는 결과"라고 강조했다.

이번 연구는 지난달 23일 국제학술지 '사이언스 어드밴스'(Science Advances)에 게재됐다.