포스텍(POSTECH) 산하 포항가속기연구소(PAL)에는 1.1㎞로 국내 단층 건물 중 최장 길이 연구시설이 있다. 건물 입구에 쓰여져 있는 문구. / 사진제공=포스텍 산하 포항가속기연구소(PAL)
1000조분의 1초를 펨토(Femto)초라 일컫는다. 사람은 인식할 수 없는 시간이지만, 분자와 원자의 세계에선 펨토초가 '게임의 룰'이다. 화학반응이 일어날 때 입자의 움직임은 펨토초 단위에서 포착할 수 있다. 예컨대 식물 광합성이 일어날 때 엽록소 분자가 에너지를 전달하는 시간은 약 350펨토초다.
이 찰나의 순간을 포착할 수 있는 신비의 공간이 있다. X선 자유전자레이저로 원자·분자의 움직임을 포착할 수 있는 포스텍(POSTECH) 산하 포항가속기연구소(PAL)가 그곳이다.
X선 자유 전자 레이저로 펨토초(1000조분의 1초) 시간 동안 식물을 분석할 수 있다. / 사진=미국스탠퍼드대
펨토초 레이저는 '펨토초 카메라'로 비유할 수 있다. 이 레이저는 '찰나의 순간' 켜졌다 꺼지는 펄스(맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동)로 이뤄져 있다. 깜빡하는 펄스를 분자에 쏘면 펨토초 동안 분자를 만났다가 다시 반사된다. 이 반사된 빛에 분자의 구조와 모습이 담기는 원리다.
과학자들은 펨토초를 넘어 전자가 움직이는 아토초(100경분의 1초) 영역까지 연구 대상을 확대하고 있다. 시간을 쪼개 우주 탄생, 인류의 신비를 풀려는 과학자들의 도전 정신이다. 펨토초 레이저 펄스가 더 정교할수록, 인간이 경험할 수 있는 세계는 더 넓어질 것으로 보인다.
X-선 자유전자레이저를 통해 연구할 수 있는 나노 세계. / 사진제공=포스텍 포항가속기연구소(PAL)