연구목표

에너지 및 전자 전달에 대한 반응 초기의 펨토초 분자 동역학이 화학 현상의 운명을 결정한다. 펨토초 시간 영역에서는 다양한 양자 상태들이 동시에 관여하여 진동 결맞음, 전자 결맞음, 핵-전자 커플링 등의 양자 결맞음 현상을 나타낸다. 이의 중요성이 최근에 와서 주목받고 있으나, 양자 결맞음 현상을 규명할 실험 및 이론적 방법론이 확립되지 않고 있다. 이에 본 연구단은 실험 및 이론의 전문성을 통합하는 새로운 접근법을 개발하여 이 난제에 도전하고자 한다. 작은 유기 분자로부터 기능성 재료 및 바이오시스템에 이르기까지 이 현상들을 양자 동역학 실험과 이론으로 규명하고 더 나아가 양자역학적 결맞음을 제어하여 에너지 및 전자 전달의 기능을 증강시키는 것을 목표로 한다. 이러한 연구단의 목표를 이루기 위하여 다음과 세부 목표를 정립하고 연구를 수행한다.

(1 그룹) 단분자 양자 결맞음 연구를 위한 분광학 및 양자 이론의 기초를 확립하며, 전자 전달, 에너지 전달 기술을 위한 전자, 전자-진동 및 진동 결맞음 메커니즘을 연구한다. 이를 바탕으로 양자 결맞음 양자 동력학과 단분자 기능과의 상관관계를 연구하고 양자 결맞음의 생성 및 소멸 사이의 균형 조절을 통한 기능 최적화를 시도한다. 나아가 양자 결맞음 제어를 통한 전하 전달 및 에너지 전달 가속화/증강 기술을 개발하여 전자 및 진동 양자 상태의 직접 조절을 통한 화학 반응 제어를 시도한다.

(2 그룹) 전자 결맞음 현상을 위한 다차원 분광법을 개발하고 비평형-dynamical mean field 이론을 개발하며, 양자 결맞음 연구를 위한 분자 클러스터 및 무기 나노클러스터 기반의 초격자 구조체를 합성하여 분자 클러스터/나노시스템의 크기 및 모양 제어를 통한 전자 결맞음 현상을 규명한다. 이를 바탕으로 초격자 구조체의 전자, 에너지 및 광전자 전달 특성 규명을 통한 기능 향상을 시도한다.

(3 그룹) 양자 결맞음 분광학 연구 장치와 이온 이동도-질량 분석 기술의 접목을 시도하며, 펨토초 X-선 회절/산란을 이용한 물질의 구조와 결맞음 및 진동 결맞음 연구를 위한 방법론을 개발한다. 또한, 거대 분자에서의 진동 및 전자-진동 결맞음 시뮬레이션 기법을 개발하고, 양자 동역학 현상으로 유발되는 염료 및 생체 분자의 구조/형태 변화를 측정하는 연구 기법과 시간 분해 형광을 이용한 형광 단백질의 양자 동력학 연구를 수행한다. 이를 바탕으로 생체 분자 반응에서의 초기 단계 동역학 연구를 통한 양자역학적 반응 경로를 규명하고 반응 제어를 시도한다.