원자 규모 공동 내 수소 분자의 피코메트릭 분광법

막스 플랑크 학회 프리츠 하버 연구소(독일)의 시오타리 아키토시, 막스 플랑크 물질 구조 및 역학 연구소(독일)의 마리아나 로시, 그리고 분자과학연구소/SOKENDAI(일본)의 쿠마가이 타카시가 이끄는 국제 연구팀은 피코캐비티 내에 존재하는 수소(H2)와 중수소(D2)의 단일 분자 분광학적 관찰에 성공했습니다. 피코캐비티는 극저온 및 초고진공 조건에서 은 나노팁과 은 단결정 기판 사이에 팁 증강 라만 분광법(TERS)을 사용하여 형성되었습니다.

최근 몇 년 동안, 피코캐비티 라고 알려진 원자 규모의 부피 내에서 일어나는 빛과 물질의 상호작용이 나노과학과 나노기술 분야에서 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다.

플라스몬 공명에 의해 생성되는 매우 한정된 전자기장은 현재 원자 규모 측정과 양자 광자 기술을 위한 유망한 플랫폼으로 여겨집니다.

이 연구에서는 가장 작은 분자인 수소를 피코캐비티 내에 가두고 고해상도 TERS를 사용하여 조사했습니다.

이를 통해 피코메트릭 분자 분광법은 진동 및 회전 모드를 전례 없는 세부 사항으로 분해하여 단일 분자의 구조와 진동 특성이 피코캐비티의 극한 공간적 제한에 의해 어떻게 영향을 받는지 밝혀냈습니다.

더욱이 은 팁과 은 기판 사이의 간격을 정밀하게 조절함으로써 분자와의 미묘한 상호작용이 변형됩니다.

그 결과, H2의 진동 모드만이 상당한 변화를 보였으며 D2는 그렇지 않은 것으로 밝혀 졌으며, 이는 현저한 동위 원소 의존 효과를 보여주는 것으로, 앙상블 평균 라만이나 기타 기존 진동 분광법으로는 포착할 수 없었습니다.

이러한 비자명한 동위 원소 효과의 기원을 밝히기 위해 연구팀은 밀도 함수 이론(DFT), 경로 적분 분자 동역학(PIMD), 모델 해밀토니안을 사용하여 이론적 시뮬레이션을 수행했습니다.

이러한 계산은 분광법이 반데르발스 상호작용에 의해 지배되는 분자가 경험하는 국소적 상호작용 잠재력에 매우 민감하다는 것을 보여주었습니다.

원자핵의 양자 비국재화, 즉 낮은 온도에서의 양자 팽창 효과는 관찰된 차이에 결정적인 역할을 하며, 피코공동에서 H2와 D2의 뚜렷한 평형 위치를 선호하게 되고, 이로 인해 진동 스펙트럼에 상당한 차이가 발생합니다.

로시 박사는 "진동 결합과 핵 양자 효과가 어떻게 함께 작용하여 그렇게 큰 동위원소 효과를 일으키는지 보고 놀랐습니다."라고 말했습니다.

시오타리 박사는 "이 연구는 빛-분자 상호작용과 극히 한정된 공간에서 흡착된 분자의 양자 역학에 대한 이해를 심화시켜 정밀 분자 분광학 분야에서 중요한 진전을 이뤘습니다."라고 말했습니다.

쿠마가이 교수는 "앞으로 여기에서 개발된 방법과 통찰력은 수소 저장 물질 및 촉매 반응의 고급 분석뿐만 아니라 개별 분자에 대한 양자 제어 기술 개발에도 기여할 것으로 기대됩니다. 이를 통해 차세대 나노스케일 센싱 및 양자 광자 기술을 지원할 것입니다."라고 덧붙였습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521124308.htm